Книги, научные публикации
Pages: | 1 | 2 | 3 | -- [ Страница 1 ] --
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО- ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР
На правах рукописи
ЛЕНСКАЯ Ольга Юрьевна МЕЗОМАСШТАБНАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМ ОСАДКОВ НА ЮГЕ БРАЗИЛИИ Специальность Ч 25.00.30 Ч Метеорология, климатология, агрометеорология Научный руководитель к. ф.- м. н. А.А. Желнин Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук
Москва 2006 2 ОГЛАВЛЕНИЕ СПИСОК ТЕРМИНОВЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ5 ВВЕДЕНИЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..7 ГЛАВА 1. МЕЗОМАСШТАБНЫЕ СИСТЕМЫ ОСАДКОВ КАК ОБЪЕКТ ПРОГНОЗА 1.1 Роль дистанционных средств в истории мезомасштабного анализаЕЕЕ.19 1.2 Локальные штормаЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..24 1.3 Мезомасштабные конвективные комплексы (МКК)ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...27 1.3.1 Генезис и стадии эволюции МКК...........................................................29 1.3.2 МКК как объект сверхкраткосрочного прогнозаЕЕЕЕЕЕЕЕ.31 1.4 Мезомасштабные линии шквалов (МЛШ) ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.. 33 1.4.1 Эволюция МЛШ и её морфоструктурыЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.34 1.5 О целях предлагаемой работыЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ39 ГЛАВА 2. РЕГИОН ИССЛЕДОВАНИЯ, ДАННЫЕ И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ МЕЗОМАСШТАБНЫХ СИСТЕМ ОСАДКОВ 2.1. Краткая характеристика региона исследованияЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..44 2.2. Радиолокационные данные и методы первичной обработкиЕЕЕЕЕЕ.50 2.2.1 Краткая характеристика данных.........................................................51 2.2.2 Определение зон конвективных осадков и осадков слоистообразной облачностиЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.53 2.2.3 Определение скорости переноса зон осадковЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ56 2.2.4 Определение элементов структуры линии глубокой конвекцииЕЕ..59 2.2.5 Оценка горизонтальных и вертикальных движенийЕЕЕЕЕЕЕ.60 ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕЗОМАСШТАБНЫХ СИСТЕМ ОСАДКОВ 3.1 Определение мезомасштабных систем осадковЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...64 3.1.1 Репрезентативность выборки и сезонный ход параметров МСОЕ..65 3.1.2 Принципы типизации МСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..68 3.2 Классификация МСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...ЕЕ..70 3.2.1 Критерий интенсивности МСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.71 3.2.2 Область развития МСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..72 3.2.3 Структура поля отражаемости МСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.. 3.3 Сравнительные характеристики МСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..77 3.3.1 Характеристика классов МСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ....77 3.4 Практическое использование классификации МСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.84 3.4.1 Универсальность классификацииЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ85 3.4.2 Использование классификации для интерпретации данныхЕЕЕЕ.89 3.5. Краткие выводы к главе 3ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...92 ГЛАВА 4. ЭВОЛЮЦИЯ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ЛИНИЙ ШКВАЛОВЕЕЕ..94 4.1 Определение трансляционной и эволюционной компонент в перемещении МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ....Е95 4.2 Нормальные компоненты переноса и развития МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕЕ101 4.2.1 Быстрые и медленные линииЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.101 4.3 Вектор развития и формирование ЗОСОЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..103 4.4 К вопросу о генезисе слоистообразного регионаЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ....108 4.5 Эволюционная классификация МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..113 4.5.1 Классификации, основанные на скорости смещения МЛШЕЕЕ....114 4.5.2 Морфологические классификации МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..117 4.6 Структура движений квазидвумерных МЛШ с ЗОСОЕЕЕЕЕЕЕЕ...123 4.6.1 Быстрая МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.123 4.6.2 Медленная МЛШ ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ....126 4.7 Краткие выводы к главе 4ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..127 ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЯ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ У ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ, СВЯЗАННОЕ С МЕЗОМАСШТАБНЫМИ ЛИНИЯМИ ШКВАЛОВЕЕЕ....129 5.1 Кучево-дождевая облачность и возникновение шквалов в регионеЕЕЕ..132 5.1.1 Определение и повторяемость шквалов в регионеЕЕЕЕЕЕЕ...132 5.1.2 Роль конвективных осадков в генерации шкваловЕЕЕЕЕЕЕЕ135 5.2 Изменение метеопараметров при прохождении МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕ..139 5.2.1 Давление, температура и ветер у поверхности земли при прохождении линий шкваловЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...139 5.2.2. Сопоставление радиолокационной и наземной информацииЕЕ...141 5.3 Линия шквалов как плотностной потокЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...145 5.3.1 Зона формирования оттокаЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.. 5.3.2 Прогноз скорости ветра у землиЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..148 5.4 Шквалы локальных штормовЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..150 5.5 Реконструкция типа МЛШ по особенностям изменения приземного давленияЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..152 5.5.1 Основная идея метода типизации барограммЕЕЕЕЕЕЕЕ..153 5.5.2 Классификация типа мезомасштабных систем по барограммам...155 5.6 Выводы к главе 5ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..160 ГЛАВА 6. АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ЦИРКУЛЯЦИЙ В СИСТЕМАХ ОСАДКОВЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ163 6.1 Структура циркуляций мезомасштабных конвективных системЕЕЕЕ.164 6.2 Теплая несущая полоса во фронтах и циклонахЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..166 6.3 К вопросу о системе координатЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ168 6.3.1. Линии тока в сверхбыстрой МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..169 6.3.2. Линии тока в сверхмедленной МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ175 6.4 Примеры использования MWR в прогнозеЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.177 6.4.1 Тыловой вток и направление движения МЛШЕЕЕЕЕЕЕЕЕ177 6.4.2 Шторма с индивидуальным развитиемЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...180 6.4.3 Квазистационарные фронтыЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ182 6.4.4 Особенности формирование полос осадков на фронтах и в циклонахЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ190 6.5 Втоки в зону осадков слоистообразной облачностиЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.193 6.6 Выводы к главе 6ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..196 ЗАКЛЮЧЕНИЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ199 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ... 5 СПИСОК ТЕРМИНОВ back building - тип формирования мезомасштабной линии шквалов, при котором появление линии происходит вследствие почти непрерывного возникновения новых ячеек в направлении, противоположном их движению broken areal Ч тип формирования мезомасштабной линии шквалов, при котором линия возникает, как следствие слияния штормов, изначально распределенных беспорядочно broken line Ч тип формирования мезомасштабной линии шквалов, при котором она организуется на месте отдельных ячеек, образующих подобие пунктира embedded areal Ч тип формирования мезомасштабной линии шквалов, при котором линия возникает внутри зоны слоистообразных облаков Cb Ч Cumulonimbus, кучево-дождевое облако Ns Ч Nimbostratus, слоисто-дождевые облака ECMWF Ч European Centre Medium-term Weather Forecasting, европейский центр среднесрочных прогнозов погоды NCEP / NCAR Ч National Center of Environment Prediction / National Center of Atmospheric Research, национальный центр прогнозирования условий окружающей среды / национальный центр атмосферных исследований (США) GRW Ч Ground Relative Wind - система координат, неподвижная относительно земли MWR Ч Mean Wind Relative - система координат, движущаяся со скоростью переноса SRW Ч Storm Relative Wind - система координат, движущаяся со скоростью ведущего края системы R Ч интенсивность осадков, мм/ч Z Ч радиолокационная отражаемость, dBZ Ri Ч число Ричардсона ВК Ч тыловой вток в конвективную зону ВС Ч тыловой вток в зону слоистообразных осадков ЗБО Ч зоны без осадков внутри региона осадков слоистообразной облачности ЗОСО Ч зона осадков слоистообразной облачности ИДВ Ч индикатор дальность - высота ИКО Ч индикатор кругового обзора КП - конвейерная полоса, от англ. conveyor belt ТКП Ч теплая конвейерная полоса, от англ. warm conveyor belt МКК Ч мезомасштабный конвективный комплекс МКС Ч мезомасштабная конвективная система МЛШ Ч мезомасштабная линия шквалов МСО Ч мезомасштабная система осадков ПВП Ч пространственно - временное преобразование р/л Ч радиолокационный ЭНЮК Ч Эль-Ниньо - Южное Колебание ВВЕДЕНИЕ Термин мезомасштабный впервые употребил M. Лигда (Ligda, 1951 [30]) для обозначения радиоэха штормов, наблюдаемых на экране радара, и имеющих промежуточные размеры между конвективными (~2 км) и Рис. В1 Пространственно - временные масштабы некоторых атмосферных явлений: А - пыльные вихри (dust devils);
B - торнадо и смерчи;
C Ч кучевые облака Cu;
D - нисходящие порывы (downburst);
E - фронт порывистости (gust front);
Fмезоциклоны;
G - мультиячейковый шторм;
H - бризовые, горно-долинные циркуляции, мезомасштабные зоны пониженного и повышенного давления (mesohigh, mesolow);
I - скопления зон осадков (precipitation bands);
J - береговой фронт (coastal front);
K - мезомасштабные конвективные системы;
L - струи нижних уровней;
M - сухая линия (dryline);
N - тропические циклоны;
O - струя верхних уровней;
P - фронт у поверхности;
Q - внетропический циклон и антициклоны;
R - ложбины и гребни длинных волн (По работе Блустайна, 1992 [7]) синоптическими (~2000 км) явлениями.
Добавочное разбиение на мезомасштабы и (Orlanski, 1975 [36]) в целом не изменило взгляд на эти явления как промежуточные, введя лишь определенный элемент иерархии, удобный с точки зрения динамики явлений. Равнозначна и другая терминология. Так, с точки зрения физики облаков синоптический масштаб можно рассматривать как макромасштаб (Мазин и Хргиан, 1989, с.13 [52]), а с точки зрения численного анализа (Bluestein,1992 [7]), явления масштаба мезо- (200-2000 км), характеризующиеся явной квазигеострофичностью движений, следует называть субсиноптическими. На рис.В1 показаны пространственно временные масштабы некоторых атмосферных явлений. В такой схеме мезомасштабная конвективная система предстает как явление субсиноптического масштаба (мезо-) с элементами мезо - и -. В метеорологии, как и в любом другом разделе естествознания, сосуществуют интуитивный и дедуктивный методы исследования. Первый открывает законы на основе наблюдений, а второй, доказывая правильность этих законов, выводит новые. Например, внетропические циклоны сначала были увидены, затем проанализированы, а позднее численно предсказаны. Наблюдения и квазигеострофическая теория явлений масштаба более 1000 км и временем жизни более суток достигли сегодня той степени согласия, что дают основание для введения синоптико-динамической метеорологии как комплексного раздела атмосферных наук [7]. Сегодня в практике центров прогноза погоды положение дел таково, что видение синоптической ситуации более применяется к набору численных прогностических карт1 и спутниковой анимации, нежели к составлению синоптических карт и их анализа. В области мезомасштабного (сверхкраткосрочного) прогноза систем осадков и связанных с ними явлений, говорить о подобном симбиозе практической, экспериментальной и теоретической сторон мезометеорологии к настоящему времени еще рано. Главным образом, такая ситуация возникла из-за недооценки практического применения мезомасштабного анализа, при значительных даже климатолог зачастую изучает климат последней половины ХХ века по реанализу NCEP/NCAR или ECMWF успехах в физике облаков, радарной, спутниковой метеорологии, в численном моделировании. Физика облаков всё более углублялась в микрофизические свойства конкретной порции облачного объема, радарная метеорология решала технические проблемы, в области численного моделирования шёл поиск математических подходов к решению Практическое внедрение, позволявшее моделей при этом до недавнего времени гидродинамических уравнений. ускоренную проверку гипотез и запаздывало, ведя к отсутствию В силу этого не в анализе, которых актуальность погоды в а лучшем объём обратной связи между повседневным наблюдением, теорией и экспериментом. производилось и обучения специалистов мезомасштабном подготовке очевидны: прогнозов исчисляется случае необходимой Рис.В2 Схематическое представление оправдываемости различных методов сверхкраткосрочного прогноза.1- метод линейной экстраполяции;
2 - опыт и знания метеоролога;
3 - мезомасштабные модели;
4- модели большого масштаба;
5 - климатологические данные. По оси ординат отложена оправдываемость прогноза в % (Из Браунинга, 1989 [11]) специфические требования к сверхкраткосрочных часами, информации несоизмеримо больше, чем в других областях. Собственно говоря, не ясно и то, чт именно поскольку является объектом прогноза, мезомасштабного мезомасштабные системы осадков и облачности вызываются различными по физической природе процессами (не менее пяти по Davies, 1996 [19]) от синергического взаимодействия конвективных ячеек в шторме до классического фронтогенеза, не говоря о том, что существует спектр явлений (например, бризовая циркуляция, гравитационные волны и др.), которые сами по себе также должны быть спрогнозированы. Тем не менее, из практики краткосрочного прогноза очевидно, что даже простая идентификация мезомасштабного явления и оценка его климатической повторяемости в значительной мере улучшает качество nowcasting, определяемого ВМО как детальный анализ текущей погоды и её экстраполяция на 2 часа вперед (см. рис.В2, Browning, 1989 [11]). Для восполнения пробела в области использования технических средств и интерпретации мезомасштабных явлений ВМО и национальные гидрометслужбы к 90-м годам выпустили ряд индивидуальных и коллективных учебно-методических пособий Mesoscale forecasting Е1989 [35], Васильев, 1999 и др. [49]). Научный интерес к организации и эволюции мезомасштабных своего апогея к конвективных систем (МКС), по-видимому, достиг (Clift 1985 [16], Вельтищев 1988 [50], Browning and Collier 1989 [10], Browning 1989 [11], середине 90-х годов. В этот период по свидетельству B. Cмалла (Smull, 1995 [41]) только в реферируемых журналах США по теме, связанной с системами осадков конвективной природы (convectively induced), печаталось более 100 работ в год. Следует пояснить, что, несмотря на широкое использование термина МКС, смысл, вкладываемый в данное понятие, сильно различается. Приведем лишь некоторые определения МКС, данные в известных монографиях последнего десятилетия. Обобщая аспекты МКС, P. Хауз (Houze, 1993, с.334 [23]), дает следующее определение: МКС Ч это облачная система, чье возникновение связано с ансамблем штормов и которая производит область непрерывных осадков горизонтального масштаба 100 км или более, по крайней мере, в одном направлении. Согласно Г. Блустайну (Bluestain, 1993, c.521 [8]), МКС Ч это организованная группа основных конструктивных конвективных блоков (set of basic convective building blocks), подразумевая под блоками многоячейковые и суперячейковые шторма (см. G на рис.В1) Есть и другие менее формализованные определения МКС. Например, У. Коттон и Р. Этнес (Cotton и Аthnes, 1989, с.593 [17]) под МКС понимают Рис. В3 Определение термина мезомасштабные конвективные системы а) схема, составленная по представлению Н.Вельтищева,1988 [50 ];
б) схематическое разделение различных форм конвекции по П.Рэю, 1990 [37 ] систему глубокой конвекции, наковальней (stratiform-anvil по размерам большую, чем индивидуальный cloud) в средней и верхней тропосфере шторм, которая часто характеризуется обширным слоистообразным облакомпротяженностью несколько сотен километров. Типичное время жизни такой облачной системы от 6 до 12 часов, хотя в некоторых случаях stratiform-anvil может сохраняться несколько дней. Несмотря на сходство определений в той части, что МКС - это система (группа, ансамбль) облачности и осадков большая, по масштабу, чем шторм, далеко не ясно, каковы пространственные и временные рамки МКС как атмосферного объекта. Например, определение Г. Блустайна, фиксируя построение ячеек Сb в мезомасштабные полосовые или не полосовые структуры, позволяет отнести к МКС линии конвективных осадков длиной несколько десятков километров (см.I на рис.В1). Р.Хауз, напротив, рассматривает такие линии штормов как отдельный объект (глава 8, с.329 [23]), а МКС представляет как комплекс индивидуальных штормов или линий штормов с масштабами зон осадков, большими 100 км. В определении Коттона и Этнеса (как и у Хауза) минимальный горизонтальный масштаб МКС (более шторма) явно не задан, но указывается нижний предел времени жизни системы - несколько часов. Поскольку верхний предел линейных масштабов не задан ни в одной из выше описанных формулировок МКС, можно лишь предположить, что само прилагательное мезомасштабный, следуя И. Орлански, ограничивает размеры системы несколькими сотнями километров (рис.В1). Согласно приведенным формулировкам, МКС, очевидно, наиболее крупный и долгоживущий объект из семейства конвективных облаков (рис.В2, рис.В3), С включая в себя линии шквалов, мезомасштабные конвективные другой стороны Н. Вельтищев (с.29 [50]) расширяет термин комплексы и группы конвективных штормов. мезомасштабная конвективная система на все морфогенетические структуры глубокой конвекции (см. рис.В3 а), как это было в более раннем определении МКС, и определяет ее как систему осадков с горизонтальным масштабом 10500 км и со значительными конвективными явлениями в течение некоторой части жизни. До определенной степени выделение симметричных мезо- структур поля глубокой конвекции основано на наблюдениях (Желнин, Старостин, 1987 [51]). Так, А.Старостин (Starostin, 1995 [42]) показал, что в 60 % случаев внефронтальных ситуаций или медленно движущихся фронтов в Молдавии радиоэхо конвективных облаков, аккумулированное в лагранжевой движущейся со скоростью ячеек Сb системе координат, напоминает мезомасштабные открытые ячейки мелкой конвекции диаметром около 30 км, наблюдавшиеся со спутников. Подразделение на симметричные и линейные типы глубокой конвекции масштаба мезо- по всей видимости неприемлемо в частности из-за того, что значительная часть мезомасштабных конвективных комплексов в своей структуре является линиями шквалов, или другими линейно-подобными формами. П. Рей (Ray, 1990 [37]) справедливо считает, что среди различных форм глубокой конвекции более или менее четко можно выделить только изолированные одиночные Сb и суперячейковые облака, имеющие различную динамику, тогда как полностью разделить термины мультиячейковые облака, линии шквалов, полосы осадков (rainbands) и мезомасштабные конвективные комплексы (МКК) невозможно (см. рис.В3 б).
П. Рей дает следующие критерии облачной системы, которая могла бы быть названа МКС: 1) время жизни системы должно быть большим, чем время циркуляции воздуха через систему;
2) конвективная система различные конвективные между собой, должна включать 3) элементы так так каждый и с что из элементы;
должны взаимодействовать, как окружением, морфологически элементов неявно меняется при взаимодействии. Очевидно, что ни тип организации конвекции, ни наличие слоистообразной облачности, ни геометрические ограничения, не встречаются в данном критерии. Придерживаясь по сути Рис.В4 Концептуальная модель мезо- кластера а) во времени, б) по пространству воздушной массы. сn - ячейки осадков мезо-;
mn - малые скопления мезо- масштаба;
M1,2 - большие мезо- скопления. H - высота облачности, Z - р/л отражаемость, R Цгоризонтальная протяженность (Из Abdoulaev, 1995 [1]) сходных к последнему взглядов на анализа показал, МКС, C. Абдуллаев данных неявное элементов (Abdoulaev, 1995 [1]) на основе радарных что взаимодействие МКС выражается в последовательном доминировании элементов мезо-кластера (рис.В4 a-б). Наиболее интенсивные на данный момент времени конвективные элементы (-ячейки) последовательно возникают в доминантных малых мезо- скоплениях (или доминантных мульти- или суперячейковых штормах), которые в свою очередь образуют большие мезо- скопления, определяя пульсирующий характер интeнсивности кластера. Важно отметить, что в модели эволюции типичного кластера пространственные и временные масштабы конвективных явлений ограничиваются областью развития, имеющей горизонтальные размеры около 300 км и период активной конвекции около 7 часов. Таким образом, в литературе встречаются различные взгляды на МКС, как требующие взаимодействия между конвективными элементами, так и основанные на условии определенной организации в них конвективной и слоистообразной облачности. С точки зрения прогноза важно, что многие опасные явления погоды с периодами жизни менее часа: град, шквалистые усиления ветра, смерчи Ч обусловлены элементами МКС. Поэтому если между элементами МКС происходит взаимодействие, то очевидно, что есть возможность выделить это влияние во времени, т.е. предсказать дальнейшую эволюцию элементов и их интенсивность. С другой стороны требование определенной организации, введение морфометрических характеристик также имеет прогностическое значение, поскольку: а) отражает определенный этап эволюции системы, что по крайней мере может использоваться в сверхкраткосрочном прогнозе погоды;
б) несомненно, что геометрическая организация (например, линии шквалов) и наличие слоистообразного региона важны в прогнозе ветра и обильных осадков. Данная работа посвящена исследованию прогностических возможностей, заложенных в наблюдаемой морфологии и эволюции МКС, следуя последнему из изложенных выше определений, т. е. попытке рассмотрения совокупности всех конвективных и слоистообразных элементов в их непосредственном взаимодействии. Последнее условие накладывает серьёзное ограничение на выбор средств наблюдения и способы анализа, поскольку необходимо адекватно отобразить как наименьшие элементы (т.е. ячейки осадков), так и всю систему в целом. Наиболее универсальный инструмент в этом случае - это метеорологический радиолокатор (МРЛ). Доплеровские МРЛ позволяют кроме радиолокационной отражаемости также оценить горизонтальную и вертикальную скорость облачных частиц и капель осадков, т.е. обнаружить структуру циркуляции внутри облака. В этой работе будут использованы наблюдения с помощью доплеровского радара DWSR-88S, проведенные в течении ряда лет в Центре метеорологических исследований Федерального университета г.Пелотас (штат Рио Гранде до Сул, Бразилия) в сочетании с другими типами данных. В шести главах данной работы сделана попытка показать, что на основе радиолокационных наблюдений можно построить объектно-ориентированную классификацию мезомасштабных систем осадков, а затем выделить ряд признаков объектов и явлений, эволюцию которых в значительной мере можно предсказать. Глава 1 представляет краткий обзор структуры и организации некоторых мезомасштабных систем осадков (МСО), таких как мезомасштабные комплексы, мультиячейковые штормы и линии шквалов. Здесь под линиями шквалов (от американского термина squall line) подразумеваются мезомасштабные циркуляционные системы глубокой конвекции, в которых конвективные элементы организуются в узкие полосы протяженностью порядка 200 км в течение времени от нескольких часов до полусуток и помимо других опасных явлений производят шквалистые усиления ветра. Демонстрируются очевидные достоинства отдельных классификаций МСО, оценивается возможность практического применения их в прогнозе, в т.ч. возможный масштаб и заблаговременность прогноза по радарным и спутниковым данным. В главе 2 описывается регион исследования, доступные данные и главные черты используемых методов (детали методов для удобства описываются в последующих главах). Рассмотрены региональные особенности процессов возникновения погодных глубокой условий конвекции. юга Показывается, Бразилии ведет что к многообразие крайнего возникновению спектра внетропических и тропических систем осадков на протяжении всего года, что делает регион идеальной природной лабораторией для радарных исследований.
Далее, в главе приводятся аргументы в пользу того, что морфологические особенности МСО следует описывать лишь в контексте понятия о стадии эволюции системы, тесно связанной с пространственновременной иерархией её элементов. Эти принципы были положены в основу морфологической организацию максимального и классификации интенсивность развития системы. МСО-МКС, конвективных учитывающей элементов что линейную в стадии базовая Аргументируется, морфологическая классификация всех МСО с подразделением на 6 типов удобна для первичного анализа выборки радарных наблюдений, она отражает особенности региональных синоптических процессов, их сезонную ритмику, в т.ч. выявлена значимость вектора пассивной трансляции в организации МКС. Сделано также сравнение некоторых морфометрических характеристик МСО, определяемых по радарным данным со спутниковыми изображениями и данными грозоотметчиков в рамках концепции о потенциально возможной области осадков, переносимых с воздушной массой. Глава 4 является основной в представляемой работе и посвящена анализу эволюции МКС с линейной организацией конвективных элементов - мезомасштабных линий шквалов (МЛШ). Доказывается, что существует два основных типа МЛШ, элементы которых ведут себя различно по отношению к вектору пассивного переноса. Определяя величину нормальной и параллельной составляющей вектора развития линии, удается предсказать многие важные характеристики МКС, такие как линейные размеры зоны осадков слоистообразной облачности, её положение относительно конвективного региона, в т.ч. асимметрию между зоной осадков слоистообразной облачности и конвективным регионом. Классификация МЛШ тропических и умеренных широт, наблюдаемых в других регионах, также подтверждает выводы. Представлены доказательства, что структура движений в линиях шквалов с положительным и отрицательным развитием по отношению к компоненте переноса существенно отличается, отражая их неодинаковую природу.
В пятой главе описывается применение предлагаемой классификации линий шквалов для интерпретации временных серий давления, ветра и других метеопараметров, регистрируемых у поверхности земли на метеостанциях. Подтверждается, что обычный некогерентный радар Ч это эффективный инструмент для наблюдения морфологии и эволюции мезомасштабных систем осадков, а доплеровский радар незаменим не только для изучения собственно мезомасштабных циркуляций внутри зон осадков, но и для интерпретации приземных полей давления, ветра и температуры. В частности, исследованы возможности различными применения типами некогерентного и доплеровского принципы радара в оперативном анализе и прогнозе шквалистых усилений ветра, связанных с МКС. Обосновываются климатологии мезомасштабных систем на основе стандартных барограмм, анеморумбограмм и плювиограмм. В главе 6, органически связанной с предыдущими, предлагается способ представления относительных движений в МКС, где основой инерциальной системы отсчёта является скорость переноса. Метод, названный (mean wind relative) MWR, опробуется на анализе доплеровских скоростей, полученных одиночным доплеровским радаром для линий шквалов различного типа, облачных вихрей, систем осадков стационарных фронтов и др. Показано, что в MWR происходит своего рода вертикализация движений в конвективном регионе, что, по-видимому, означает, что циркуляция конвективной системы до некоторой степени переносится с ветром в средней тропосфере. Доказывается как исследовательский потенциал метода, так и его оперативная применимость для выделения зон тылового втока в систему и оценки вектора развития МЛШ. В заключении конвективных систем. На защиту выносятся: 1) метод построения морфологической классификации систем осадков на основе радарных данных;
2) эволюционная подводятся итоги работы и кратко обсуждаются возможные направления будущих работ в исследовании мезомасштабных классификация линий шквалов и её прогностические следствия;
3) метод интерпретации доплеровских данных - MWR.
ГЛАВА 1 МЕЗОМАСШТАБНЫЕ СИСТЕМЫ ОСАДКОВ КАК ОБЪЕКТ ПРОГНОЗА 1.1 Роль дистанционных средств в истории мезомасштабного анализа Поперечный горизонтальный масштаб некоторых конвективных элементов, таких как ячейки Cb и линии шквала (5 и 30 км) позволяет при определенных ограничениях их исследование по данным, полученным в одной точке путем учащенной регистрации метеорологических величин. Обычным в этом случае является представление такой временной серии в виде распределения метеовеличин в пространстве в системе координат, движущейся Таблица 1.1 Некоторые этапы в исследовании мезомасштабных систем осадков Годы 1942 1946-47 1950 1953 1958 1960 ~1965 1966 1970 1980-1985 1990-1995 Событие Обнаружение ячеек осадков радиолокатором Thunderstorm Project - исследование структуры грозовых штормов с самолетов, радаров и наземной сети Изобретение компьютера и численные прогнозы погоды Измерение вертикальных движений в облаке доплеровским радиолокатором Средства для квантования радиоэха осадков и его визуализации Изображения облачности в видимом и инфракрасном диапазоне волн с метеорологического спутника Синхронные наблюдения структуры движений в штормах двумя импульсными доплеровскими локаторами Метеорологический геостационарный спутник Цифровой радар и автоматическая сеть наземных данных Трехмерные численные модели штормов и систем осадков, зондирование атмосферы из космоса Сеть оперативных доплеровских радаров и профилемеров, прогностические мезомасштабные модели.
с облаком, так называемое преобразование время-пространство. Используя такое преобразование рядов данных приземного давления и ветра для анализа совокупности минимума и максимума давления, сопровождающего прохождение шторма (т.н. грозовой нос), T. Фуджита еще в конце 40-x годов продемонстрировал важность нисходящих потоков и испарения для формирования и движения Cb. Согласно Джонсону, 2001 [135] это был, повидимому, первый мезомасштабный анализ. Заведомо жесткое требование сохранения структуры циркуляций, предполагаемое в методе время-пространство, ограничивает его применение качественным описанием общего характера неизменных во времени явлений. Для анализа эволюции системы требуются наблюдения на полигонах значительных по площади. Поскольку под временным масштабом объектов на рис.В1 подразумевается длительность периода его проявления в системе координат, движущейся cо скоростью объекта v, то масштаб наземного полигона должен быть не менее v. Например, ячейки Сb и мезомасштабная линия с периодом жизни ~0,5 и 6 часов, соответственно, перемещаясь с характерной скоростью ветра ~ 36 км/ч, луйдут от неподвижного наблюдателя на 20 и 200 км. Применение метеорологических спутников, радиолокаторов, грозоотметчиков и других дистанционных средств наблюдения, очевидно, является единственным выходом для одновременного отображения конвективных и мезомасштабных объектов и явлений. Собственно, всё развитие мезомасштабной метеорологии неразрывно связано с появлением и совершенствованием дистанционных средств наблюдения (см. табл. 1.1). Первым дистанционном средством для наблюдения структуры и кинематики кучево-дождевых облаков стал наземный импульсный радиолокатор с длиной волны 3-10 см, изобретенный в конце 30-x годов. Сами же конвективные явления продолжают быть в центре внимания радарной и мезомасштабной метеорологии на протяжении 60 лет, прошедших после знакового для метеорологии Thunderstorm Project (Byers, 1948 [13]). В метеорологических радарах по мощности отраженного сигнала от частиц осадков Cb и Ns, можно оценить фактор отражаемости Z, мм6/м3, зависящий от их фазового состояния, формы и распределения по размерам (см. табл.1.2). Интенсивность дождя и снега R (мм/ч), также связана с этими микрофизическими характеристиками и может быть оценена при использовании связи типа lgZ = const2 lgR + const1. Кроме того, радар незаменим в гидрологических прогнозах поверхностного стока в бассейнах рек (Calheiros and Zawadski 1987 [14], Joss 1990 [26]) и при калибровке спутниковых оценок глобальных осадков (Atlas and Bell, 1992 [2]). Вертикальный профиль Z, представляемый на индикаторе дальность-высота (ИДВ), используется как показатель градового состояния при активных воздействиях на облака (Абшаев и др., 1980 [47]). С начала 80-х годов в наблюдениях стал широко использоваться и технологически более сложный импульсный доплеровский радар1, позволяющий оценивать кроме Z радиальную составляющую движения облачных частиц в радиолокационном объёме. Выявление структуры циркуляций в линиях шквала и локальных штормах дало мощный толчок к развитию более совершенных физических моделей этих явлений, а способность когерентного радара обнаруживать предвестники опасных явлений: мезоциклоны, фронты порывистости, области оттоков (D, Е, F, см. риc.В1) Ч а также получать трехмерный профиль ветра привел к его внедрению в оперативную работу2. При обычной скорости антенны радара в три оборота за минуту, на индикаторе кругового обзора (ИКО) почти горизонтальная картина осадков размером ~ 400400 км2 и разрешением около 22 км2 получается всего за ~30 секунд, т.е. за время, сопоставимое со скоростью сканирования той же площади со спутников.
Различают псевдокогерентный доплеровский радар, сконструированный как и обычный на базе магнетрона DWSR-88S и когерентный, WSR-88D системы NEXRAD основанный на клистроне. 2 Соединение достижений радиолокационной метеорологии с информационными технологиями последнего десятилетия, способствовало развитию систем накопления и обработки радиолокационных данных в качестве функциональной составляющей будущей системы прогноза, основанной на усвоении данных дистанционных наблюдений численными моделями в реальном времени. Подробные сведения об истории радарной метеорологии и о применении радиолокаторов в метеорологии изложены в ряде монографий (см. Doviak и Zrni, 1984 [20], Atlas ed.,1990 [3]).
При оценке структуры радиоэха и ветра на высотах период сбора радиолокационной информации увеличивается до нескольких минут, т.к. необходимо сделать около 10 круговых обзоров под различными углами места. Обычный интервал между такими сериями конических сечений составляет около 10-15 минут, что дает возможность объектов с временем жизни более часа.
Таблица 1. 2 Интенсивность радиоэха для 10-см МРЛ на площадях не менее 4 км2 и возможные осадки и явления (по Лудламу, 1980 [31] с.286 с небольшими изменениями) детально отобразить эволюцию Код Отражаемость 10lgZe, dBZ 0 <25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 26-30 31-35 36-40 41-45 46-50 51-55 56-60 61-65 > Осадки, мм/ч 1 1-2 2-5 5-10 10-25 25-50 50-100 100-200 200-400 > Погодные явления Слабый дождь;
морось Слабый дождь;
морось Умеренный дождь;
слабый ливень Умеренный дождь;
слабый ливень Сильный дождь, Интенсивный ливень с грозой Грозовой шторм Интенсивный грозоградовый шторм Сильный шторм с крупным градом Экстремальный шторм с гигантским градом высот, интенсивностей и других Статистические обобщения характеристик изолированных ячеек осадков, соотношения Z-R в различных географических регионах установлены на рубеже 60 и 70-х годов. Первые крупные мезомасштабные структуры размером до сотен километров Ч спирали тропических циклонов Ч были обнаружены к 50-м годам и сразу же определили роль радара в штормооповещении. Развитие исследований шло по двум направлениям - изучение мезомасштабной структуры осадков фронтов, которое стимулировалось необходимостью улучшения и деталировки синоптического прогноза, и исследования генезиса, структуры и эволюции конвективных облаков, определяя тем самым практическую востребованность радара в идентификации особо опасных штормов, несущих разрушительные шквалы, смерчи и град. Характеристики штормов достаточно полно освещены в монографиях (Ludlam, 1980 [31], Atlas ed, 1990 [2], Брылев, 1989 [48], Сotton and Anthes, 1989 [17] и др.), a мезомасштабные структуры осадков на фронтах и циклонах в монографиях (Шакина 1985 [142], Вельтищев 1988 [50], Houze and Hobbs, 1982 [131]). Поэтому остановимся лишь на важных для изложения моментах, касающихся организации и движения мультиячейкового шторма (Houze and Hobbs, 1982 [131]), линий шквалов со слоистообразным регионом (Houze, 1993 [23]) и представлениях мезомасштабных движений в циклоне (Browning, 1990 [128]). В то время как спиральные полосы тропических циклонов обнаружены радаром, а структура внетропических циклонов выделена на основе аэрологических и самолетных наблюдений, то кластеры и мезомасштабные конвективные комплексы (МКК) можно по праву назвать детищем спутниковой метеорологии. Термин облачный кластер (cloud cluster) появился в начале 70-х для обозначения округлой шапки перистых облаков 100-1000 км, возникавшей в процессе эволюции конвективной облачности в тропиках и наблюдавшейся на первых изображениях геостационарного спутника ATS-1 (Menzel, 2001 [34]). Подобные тропическим облачным кластерам системы средних широт обычно называют мезомасштабными конвективными комплексами. К началу 80-х годов изображения с геостационарных спутников серии GOES, Meteosat, GMS (и Insat c 90-x) с разрешением до 44 км2 по крайней мере в видимом и инфракрасном диапазоне стали доступны для мониторинга облачности во всех центрах прогноза погоды. Оценивая по величине радиационной температуры и альбедо тип и высоту облачности, можно описать зоны активной конвекции и осадков. Многочисленные методы идентификации глубокой конвекции по спутниковым изображениям изложены в монографии Киддера и Вондер Хаара, 1995 [27]. Далее мы рассмотрим лишь некоторые моменты крупномасштабных условий возникновения и структуры МКС.
1.2 Локальные шторма Термин сильный локальный шторм (severe local storm) как нельзя лучше подчеркивает уникальность таких облаков, выделявшихся на фоне остальных Cb (пункт 8-9 в табл.1.2), которые сопровождаются только ливнем и грозой (thunderstorm).
Рисунок 1.1 Схема развития мультиячейкового шторма, наблюдавшегося 9/07/1973 в Raymer, США (По Хаузу и Хоббсу, 1982 [131] ) Обычно локальные шторма представляют собой не одиночную короткоживущую (20 минут) ячейку осадков с отдельным восходящим потоком и максимумом отражаемости, а скопление таких ячеек, объединенных по крайней мере одним контуром отражаемости (30 dBZ) в так называемый мультиячейковый шторм (или многоячейковое облако). Обычно в шторме наблюдается несколько последовательно возникших ячеек на разных стадиях своей жизни. На рис.1.1 показана схема развития мультиячейкового шторма, из которой видно, что взаимодействие холодного оттока от диссипирующих ячеек шторма с окружением является важным процессом в его формировании. Вынужденная конвергенция потенциально неустойчивого воздуха нижних уровней обычно наблюдается в направлении движения шторма перед фронтом порывистости, связанных с оттоком, и может служить началом формирования восходящего движения для новой ячейки. Исследования показали (см. c.253-255 [131]), что видимое движение VШ и форма организованного мультиячейкового шторма есть результат двух индивидуальных компонент: одна есть движение самой ячейки вдоль направления ветра на средних уровнях Vя, т.н. ведущего потока, называемого нами пассивным переносом элементов МКС. Другая или вектор его развития Vр. Различное сочетание компонента - периодически дискретное появлениие новых ячеек на ведущем фланге шторма, этих двух векторов, схематически представленное нами на рис.1.2, ведет как к видимому торможению, так и ускорению шторма относительно ведущего потока. Тем наблюдается, не менее что в северном полушарии, как правило, новые ячейки штормов возникают на правом (южном) фланге относительно предыдущих, зона Рисунок 1.2 Схема развития мультиячейкового шторма. VШ - видимое движение;
Vя Ч движение самой ячейки вдоль направления ветра в средней тропосфере;
Vр - вектор развития а) возникновение новых ячеек в противоположном направлении от скорости переноса Vя;
б) и г) влево от Vя;
поэтому интенсивных 30 км длиной) осадков шторма ( 20перемещается от среднего вправо ветра (рис.1.2 в). Наличие право- и леводвижущихся мультиячейковых штормов, а также более мощных суперячеек Ч относительно долгоживущих изолированных штормов, в которых отдельные дискретные максимумы Z в навесе (т.е. отдельные восходящие потоки) не выделяются - в свое время стимулировало появление аналитических и численных моделей штормов (Cotton and Athnes, 1989 [17]). Одним из главных направлений поиск моделирования соотношений был, между вслед за эмпирическими обобщениями, энергией неустойчивости и влиянием сдвига ветра на форму конвективных движений. Так, Вейсман и Клемп, 1984 [45] показали, что суперячейки возникают при числах Ri (отношение CAPE к сдвигу ветра в слое до 6 км) от 15 до 45, а мультиячейковые облака при Ri>45. В то же время ряд работ последнего десятилетия показал, что различные по морфологии шторма могут возникать и в сходных условиях. Например, Блустайн и Паркер, 1993 [9]описали различные моды формирования штормов (от изолированных ячеек, до кластеров и линий) на сухой линии Южных Равнин в течение 16 летнего периода, но не нашли значительной разницы в их локальном окружении. Надо отметить, до что время от появления первого радиоэха первой регистрации явлений, опасных определенное в этой работе, составляло всего 2 часа, т.е. возникает насколько nowcasting точки зрения. Условным правило является и появления новых вопрос Ч Рисунок 1.3 Влияние стационарных зон конвергенции приземного ветра (заштрихованные области), ведущее к появлению латипичных право- или леводвижущихся штормов в одних и тех же окружающих условиях. VЯ Ч скорость движения ячеек (По Абдуллаеву, 1992 [46]).
ограничен с практической элементов штормов вправо от потока. Так, Хауз и др., 1993 [25], анализируя 8летнюю выборку градовых штормов в Швейцарии, нашли, что их радиоэхо почти поровну двигались вправо и влево от среднего потока. Моделирование показало, что изменение направления вращения ветра нижних уровней по часовой стрелке на вращение против часовой стрелки возможно из-за локальных орографических эффектов, что вызывало появление право- и леводвижущихся штормов. Последний результат согласуется с концептуальной моделью влияния стационарных зон конвергенции (СЗК) приземного ветра, ведущее к появлению латипичных право- или леводвижущихся штормов в одних и тех же окружающих условиях (Абдуллаев, 1992 [46]). На рис.1.3 показано, что траектории штормов А и В сходятся у СЗК (штриховка), причем, если вначале движение штормов не отличается от направления переноса ячеек, то затем A ускоряется и становится леводвижущимся, а В - праводвижущимся с заметным торможением. Необходимо заметить, что значительное количество исследований кинематики штормов вправо и влево от потока рассматривало движение без особого выделения иерархии штормов, и в выборку попадали долгоживущие линии шквалов (I на рис.В1), тогда как мультиячейковые шторма очевидно живут не более 1,5 часов. 1.3 Мезомасштабные конвективные комплексы (МКК) Основные идентификационные характеристики МКК по спутниковым данным сформулировал Маддокс, 1980 [32], который впервые ввел термин МКК для обозначения мезомасштабных конвективных систем с обширной зоной восходящих движений в верхней тропосфере (табл.1.3). Повышенный интерес к МКК в США связан с тем, что GOES был первым оперативным метеорологическим геостационарным спутником, а с другой стороны с тем, что с МКК связаны более 50% осадков теплого сезона в центральной части этой страны, многочисленные градобития, шквалы и другие опасные явления. В то же время, МКК Ч обычное явление и в других географических регионах и климатах: в средних и низких широтах Центральной и Южной Америки (Velasco e Fritch,1987 [43]), в муссоном климате индийского субконтинента (Laing and Fritch, 1993 [28]), над Британскими островами (Browning and Hill, 1984 [12]), в Восточной Европе (Вельтищев, 1988 [50]) и в других частях света. Интенсивно изучались условия возникновения и траектории МКК и на юге Южной Америки в области, сопряженной с интересующим нас регионом (Guedes e Silva Dias, 1985 [22];
Velasco and Fritsch, 1987 [43];
Silva Dias, 1989 [40];
Guedes et al., 1994 [21] и др.) Таблица 1.3 Критерий определения МКК по Маддоксу,1980 [32] и его современная модификация по Августин и Ховард, 1988 [4] (курсив) (ТИK - радиационная температура) Область A Область B Облачный щит с ТИK -320 C имеет площадь 105 км2 Внутренний холодный регион с ТИK -520 C площадью 5104 км2 Момент снимка на котором впервые облачность с ТИK -320C и с Начало МКК Длительность Максимум развития Форма Окончание МКК ТИK -520C одновременно удовлетворяет условию А и условию В Область А и область В идентифицируется 6 часов Непрерывный облачный щит с ТИK -320 C (с ТИK -520 C) достигает максимального размера Отношение меньшей оси к главной оси 0, 7 в момент максимального развития Площадь с ТИK -320 C и ТИK -520 C более не удовлетворяет условию А и В Необходимым условием проявления МКК является наличие обширной облачности верхнего яруса почти круглой формы, превышающей в течение довольно длительного времени характерные масштабы, определяемые по радиационной температуре (выраженной в градусах Цельсия) ТИK -320С и ТИK-520С со спутниковых снимков в инфракрасном диапазоне спектра излучения атмосферы (см. табл.1.3). Дальнейшие наблюдения показали, что формальное определение площади региона с ТИK -320С во многих случаях по отношению к одной МКС невозможно из-за объединения облачных щитов от Рисунок 1.4 Характеристики окружающей среды, связанные с развитием МКК (По Коттону и др., 1989 [18]). Изолинии отношения смеси на поверхности 850 гПа за 12 часов до зарождения МКК (а) и в слое 700 - 400 гПа в начальной стадии МКК (б);
в) распределение эквипотенциальной температуры на 850 гПа в начальной стадии МКК;
эволюция вертикального распределения влаги (г), эквипотенциальной температуры (д) и температуры воздуха.
различных систем, тогда как ядро с ТИK -520С, с которой связана основная порция осадков, достаточно хорошо описывает индивидуальный МКК. По этим причинам критерий выделения МКК ныне базируется на анализе области самого холодного региона (Augustine and Howard 1988 [4], Соtton et. al. 1989, [18] см. табл.1.3 ) 1.3.1 Генезис и стадии эволюции МКК Коттон и др., 1989 [18], базируясь на исследовании 134 МКК, и упрощенном критерии МКК, ввели 7 последовательных стадий эволюции МКК. С точки зрения прогноза важны две стадии: (МКК-12 часов) Ч стадия, на которой создаются условия для формирования первых штормов, и стадия зарождения МКК (pre-MCC), начинающиеся за 10-15 часов и за 3 часа до момента идентификации МКК, соответственно. Синоптические условия, предшествующие возникновению комплекса, характеризуются тем, что в нижней тропосфере усиливается конвергенция влажного потенциально неустойчивого воздуха вблизи момента идентификации МКК, образуя глубокий слой со значительным влагосодержанием и слабым сдвигом ветра. Маддокс [32], использовав композиционный анализ, установил, что для генезиса МКК необходимо совпадение позиций приземного фронта, горизонтальной оси влаги вдоль течения нижних уровней, мигрирующей с запада на восток ложбины на уровне 500 гПа и слабой дивергенции скорости ветра на верхних уровнях. Обычно МКК в Высоких равнинах США возникают к северу от квазистационарного фронта широтного направления на нижних уровнях, и с теплой адвекцией к югу от фронта, которая принимает на уровне 850 гПа струйный характер. Слабое коротковолновое возмущение с адвекцией теплого воздуха обнаруживается над регионом генезиса МКК вплоть до 700 гПа. МКК достигает зрелости к моменту, когда подверженное дневным вариациям это струйное течение достигнет своей максимальной интенсивности. Наиболее характерным признаком ранних стадий является широкий язык влаги на поверхности 850 гПа с отношением смеси до 10 г/кг, поступающий в область региона появления МКК и несколько восточнее (см. рис.1.4 а, заметим, что это также характерно и для Южной Америки, как показали Гуедес и Силва Диас, 1985 [22]). В начальной стадии максимум отношения смеси заметен даже в средней тропосфере, располагаясь несколько южнее МКК (рис.1.4 б). Следует отметить, что за 10-15 часов до начальной стадии воздух в регионе генезиса может оставаться относительно сухим, заметно влажнея лишь вблизи и после момента идентификации МКК (Cotton et al., 1989 [18]), причем максимальные значения отношения смеси, на 4 г/кг превышающие значения стадии МКК12 часов, уже наблюдаются после его идентификации на снимке, т.е. в стадии роста перед достижением максимальных размеров (стадия зрелости, см. рис.1.4 г).
В начальной стадии максимальные значения эквивалентно потенциальной температуры e, связанные с горячим и сухим воздухом Высоких равнин, находятся примерно в 400 км западнее оси влаги (рис.1.4 в). Максимум e, распространяясь над регионом генезиса МКК, способствует адвекции тепла, концентрирующейся сначала в МКК, а затем на его югозападном фланге. Это очевидно и приводит к тому, что конвективные осадки последовательно мигрируют на юг относительно центра облачного щита МКК (McAnnelly, Cotton 1989 [33]). Роль слоя повышенных e очевидна из рис.1.4д: он поддерживает конвективную неустойчивость на поздних стадиях МКК, в ночное время при охлаждении поверхности земли и испарении осадков. Адвекция тепла на нижних уровнях в область генезиса также имеет максимум тогда, когда идет развитие штормов на территории, примерно за 3 часа до формального начала МКК, а адвекция холода на средних уровнях, обычный идентификатор конвекции на фронтах, значительна лишь начиная со стадии роста МКК (рис.1.4 е). Таким образом, обычный анализ наличия или отсутствия конвективной неустойчивости по данным аэрологического зондирования в регионе будущего генезиса МКК вплоть до 3 30 не может рассматриваться как уверенный прогностический признак. Важно отметить тем не менее, что конвергенция ветра нижних уровней порядка 310-4 с-1 наблюдается за 12 часов до развития МКК, увеличиваясь вдвое к начальной стадии МКК.
1.3.2 МКК как объект сверхраткосрочного прогноза В определение МКК не входит условие сохранения круговой формы щита облачности на протяжении всей эволюции. Такое нестрогое требование к морфологическим характеристикам значительно ограничивает использование МКК, как объекта краткосрочного прогноза, поскольку его точная идентификация по соотношению осей возможна лишь в стадии зрелости. Исследования осадков МКК (МсAnnelly and Cotton, 1989 [33]), проведенные на подготовленной выборке типичных комплексов (хорошо организованных, изолированных от других систем летних МКК, в условиях слабой бароклинности), показывают, что момент полной идентификации МКК tmax совпадает с максимумом площади и объема осадков. Наиболее интенсивные конвективные явления, очевидно, происходят ранее. Так площадь, занятая активной конвекцией с наиболее высокими облаками с ТИK -600 C, достигает максимальных размеров (т.н. термический минимум МКК) раньше момента tmax. Максимальные средние интенсивности осадков по полигону наблюдаются через 1-2 часа вслед за моментом начала МКК t0 и примерно за 4 часа до tmax. Первые же шторма в области генезиса МКК в среднем начинаются за 6 часов до t0 (Rodgers, et al., 1985 [38]). Очевидно, что размеры и форма МКК определяются его элементами. Исследуя структуры МКК на основе радарных данных, МакАннелли и Коттон, 1986 [33] нашли, что в небольших МКК с максимальной площадью щита облачности 105 км2 доминировал один мезо- элемент, а в крупных, до 3105 км2, Ч несколько. В крупных МКК (почти 500 км в диаметре) мезо- элементы формировались вдоль некоторой мезо- оси (склона хребта, приземной ложбины, фронта или линий оттока), причем часто таких осей было две. Хауз и др., 1990 [24] анализируя 51 случай весенне-летних экстремальных по интенсивности и площади осадков, пришли к выводу, что в 75% случаев их облачный щит удовлетворял критерию МКК, но элементы поля радиолокационной отражаемости в равной степени могли быть организованны как в линию шквалов с областью осадков из слоистообразной облачности, так и в неопределенный конгломерат конвективных ячеек и слоистообразной облачности (см. п.1.4.1) Из изложенного выше следует, что явно различные по морфологии скопления Сb (линии шквалов или округлые группы масштаба мезо-) могут после объединения облачного щита удовлетворять критерию МКК. Описать взаимодействие этих групп и линий, к определенному моменту организующих МКК, по спутниковым данным затруднительно не только из-за быстрой маскировки скоплений активных Cb шапкой перистых облаков, но и из-за не достаточного для определения эволюции мезо- элементов МКК временнго разрешения поступления информации, составляющего 25-30 минут в обычном режиме сканирования обоих полушарий (полный диск Meteosat, GOES, GMS). Таким образом идентификационный признак МКК: наличие щита облачности, достигающего высот 10-12 км (Тик = -540С по стандартной атмосфере) и имеющего эквивалентный диаметр не менее D = (4S/)1/2 = 250 км, Ч с точки зрения сверхкраткосрочного прогноза может быть бесполезен. В то же время имеет смысл масштаб состоявшегося крупного конвективного события, который полезен для целей мезомасштабной климатологии и в некотором смысле для синоптического анализа. В частности, для средних и субтропических широт Южной Америки, характерно, что центры активности МКК имеют достаточно четко выраженный сезонный ход (Velasco and Fritch, 1987 [43]), связанный с миграцией субтропического струйного течения и лязыка влаги из субтропиков. 1.4 Мезомасштабные линии шквалов (МЛШ) Одиночные конвективные ячейки, суперячейки или мультиячейковые облака могут образовывать полосовые структуры бльшего масштаба, т.н. линии глубокой конвекции или мезомасштабные линии шквалов (МЛШ). В случаях, когда МЛШ возникает в теплом секторе циклона впереди холодного фронта, часто используются термины - предфронтальная линия шквалов, линия неустойчивости (Cotton and Аthnes, 1989 [17]). Различают также тропические и линии шквалов средних широт, которые под разными названиями в целом встречаются в различных климатических зонах (см. рис.1.5 по Лудламу, 1980 [31]). Очевидно, что как и МКК, линии шквалов в умеренных широтах северного полушария концентрируются в зоне среднего положения струйных течений, а в южном, согласно Лудламу, Ч в юго-восточных частях континентов в периоды перемещения оси струйного течения вместе с холодными фронтами к северу.
Коттон и Этнес, 1989 (c. 630 [17]) делают вывод, что главное отличие условий окружающей среды, характерное для МКК, отличающее его от линий шквалов - это малый сдвиг глубоком слое, шквальные развиваются условиях ветра тогда в как линии в сильного влажном сдвига ветра и при Рисунок 1.5 Основные регионы возникновения линий шквалов и грозо-градовых штормов в низких (серый цвет) и умеренных (штриховка) широтах. Стрелками указано положение струйных течений (По Лудламу, 1980 [31]) наличии языка сухого воздуха на средних уровнях. Хауз и др., 1990 [24] отмечают, что описанная выше нижнеуровневая струя в средних годографах, обнаруживалась в сроках, близких к развитию линий шквалов, и отсутствовала в менее организованных системах. 1.4.1 Эволюция МЛШ и её морфоструктуры Более строго линию конвекции определяют, как конвективное радиоэхо, большая ось которого, имея размеры не менее 50 км, по крайней мере в 5 раз превышает его ширину, и проявляется на ИКО радара более 15 минут (Вluestein and Jain, 1985 [6], Bluestein, 1993 [8]). Наблюдения отдельных линий шквалов интенсивно производились еще в 60-х годах, но чаще они сводились к анализу кинематики и структуры наиболее активного, конвективного региона линии (см. Houze and Hobbs, 1982 [131], Ludlam, 1980 [31]). Обобщение стадий эволюции МЛШ, степень организации радиоэха конвективного региона и региона осадков из слоистообразной облачности были произведены лишь в последние десятилетия [6, 24, 29].
Классической работой, акцентирующей внимание на элементах МЛШ, является работа Лири и Хауза, 1979 [29], которые выделили 4 стадии в развитии тропической МЛШ: а) стадию формирования, когда изолированные ячейки организуют линейную структуру;
б) интенсификации - ячейки образуют квазинепрерывные сегменты с более высокой отражаемостью;
в) стадию зрелости, когда сосуществует конвективный и слоистообразный регион и г) диссипации, когда конвективная часть МЛШ исчезает. Базируясь на формах организации радиоэха в стадии формирования, Блустайн и Джайн, 1985 [6] провели классификацию 40 МЛШ, наблюдавшихся за 11 весенних сезонов в Оклахоме (см. рис.1.6). Формирование МЛШ в непрерывную линию происходит формируется на монолитную обычно четырьмя месте радиоэха возможными путями: 1) линия отдельных ячеек, образующих подобие пунктира (broken line);
2) появление линии вследствие почти непрерывного направлении, противоположном движению Рисунок 1.6 Классификация линий шквалов по способу образования. 2t Ч стадия интенсификации (По Блустайну и Джайну,1985 [6])) возникновения новых ячеек в их building;
это тип (back что очевидно, шторма);
мультиячейкового 3) линия возникает, как следствие слияния штормов, изначально распределенных беспорядочно (broken areal);
4) линия возникает внутри зоны слоистообразных облаков (embedded areal). Процесс формирования линий 1, 3 и 4 типов заканчивается за 30-90 минут. Формирование МЛШ второго типа занимает около 30 минут, но возникновение новых ячеек может аналогичным способом повторяться вплоть до 6 часов. Поскольку данная работа часто цитируется в различных источниках, надо отметить следующее: 1) классификации подвергнуты только МЛШ, производившие опасные явления погоды (торнадо, порывы ветра более 25 м/с, град 2 см);
2) при этом 12 МЛШ (т.е. 20%) формировались другими путями;
3) дальнейшая эволюция МЛШ после формирования не оценивалась. Зондирование воздушных масс, в которых формировались МЛШ, показало, что различие в вертикальной структуре ветра и запасе энергии неустойчивости для большинства МЛШ незначительно. В целом линии ориентировались вдоль сдвига ветра в нижнем километровом слое, приблизительно 750 от сдвига между 1,4 и 3 км и в 400 сдвига ветра выше 3 км. Например, линии первого типа формировались при меньших сдвигах ветра, а четвертого Ч при низких значениях энергии неустойчивости. Числа Ri, рассчитанные для условий окружающей среды, в которых формировались линии как второго, так и четвертого типа, имели приблизительно те же значения, что и для изолированных суперячеек. Последующий анализ условий возникновения более слабых МЛШ, не сопровождавшихся экстремально опасными явлениями (Bluestein et. al., 1987 [5]), показал, случаях потенциальная составляет около что при меньших доступная энергия 60% от сдвигах ветра даже в этих энергии экстремальных МЛШ. Хауз и др., 1990 [24] определили организации тип и степень мезомасштабных Рисунок1.7 Схематическое представление радиоэха симметричных и асимметричных МЛШ (По Хаузу, 1993 [23]) систем осадков (группа радиоэха или непрерывная зона с горизонтальными размерами > 100 км) в 51 случае обильных осадков (более 25 мм в сутки на площади >12 500 км2), наблюдавшихся за 6 весенних сезонов в Оклахоме и обнаружили, что около 2/3 таких событий связано с конвективными линиями (или МЛШ), сопровождавшимися регионом слоистообразных осадков (Leading Line / Trailing Stratiform, так называемое LL/TS). Системы были субъективно ранжированы в соответствии с 10 признаками, резюмированными Хаузом,1993 [23] следующим образом. Конвективный регион: 1) имеет форму арки, выгнутой стороной направленной в направлении движения линии;
2) обычно имеет ориентацию с СВ на ЮЗ;
3) быстро движется на восток или юг, со скоростью в направлении, перпендикулярном оси линии, большей 10 м/с;
4) на вид представляет монолитную форму, когда интенсивные ячейки объединены контуром более умеренных отражаемостей. На переднем (ведущем) крае конвективного региона 5) наблюдаются большие градиенты отражаемости, а также 6) он имеет пилообразный вид с расстоянием между зубцами, образованными конвективными ячейками, 510 км. Сами же ячейки: 7) имеют вытянутую форму с углом наклона к оси системы от 45 до 900. Кроме того ведомый регион осадков слоистообразных облаков: 8) имеет значительную площадь > 104 км2, а также 9) в тылу его образуется вогнутость (лnotch) и 10) вторичный максимум отражаемости, отделенный от конвективной зоны узкой полосой низких отражаемостей. Кроме означенных десяти характеристик выделялись симметричные случаи мезомасштабной конвективной системы, когда 11) интенсивные ячейки не имели предпочтительного положения вдоль линии, а центроид слоистого региона 12) находился прямо позади центра линии, и асимметричные, когда конвективная линия 13) имела более значительные отражаемости на южном, юго-западном или западном фланге, а 14) центроид слоистообразного региона сдвинут на северный Ч северо-восточный конец линии. Идеализированное представление радиоэха симметричных и асимметричных МЛШ, обладавших всеми первыми десятью признаками, представлено на рис.1.7.
Мгновенная картина радиоэха в радиусе 240 км от радара соотносилась с идеализированными признаками с определенным весом. Способ оценки ясен из рис.1.8, где представлено схематическое руководство, разработанное al., 1995 Shchiesser et весов категория умеренная, остальные [39]. Далее по сумме определялась организации слабая, и МКС, не поддающиеся классификации в линии. Приведенная выше классификация мезомасштабных систем осадков, хотя и её подразумевала линейных МКС: сильная, использование для целей мезоклиматологии экстремальных Рисунок 1.8 Схематическое руководство по определению категории организации линейных МКС (По Shchiesser et al., 1995 [39]) по и интенсивности протяженности случаев, тем не менее отразила только около 50% всех сообщений о торнадо, граде, разрушительных ветрах, паводках за шесть весенних сезонов. Несмотря на субъективность отнесения системы осадков к той или иной категории было отмечено, что, например, сильная симметричная организация МКС чаще ведет к паводкам, а слабая асимметричная Ч к градобитиями и торнадо. По данным осреднения температурных стратификаций и годографов ветра, в случаях с сильной классификацией наблюдается хорошо выраженное нижнеуровневое течение, причем в асимметричных линиях больший сдвиг ветра наблюдается вдоль линии, а в симметричных Ч поперек. Нижнеуровневая струя не наблюдалась в случае МКС с хаотическим расположением штормов, которые чаще дают град, и в меньшей степени при торнадо и наводнениях. В целом значения Ri для слабо классифицируемых и не классифицируемых случаев были менее 40, а для случаев с хорошо выраженной линией и слоистообразным регионом Ч около 90. 1.5 О целях предлагаемой работы Исследования облачных скоплений различного происхождения по снимкам, сделанным в видимом и инфракрасном диапазонах с геостационарных спутников и совмещенным с полями радиолокационных осадков и приземных метеовеличин, привели к выводу о том, что эволюция систем облачности крупного масштаба умеренных и тропических широт начинается с возникновения скоплений отдельных конвективных штормов. Стало очевидным, что в рамках скопления грань между конвективными осадками и осадками слоистообразной облачности достаточно условна. Так, начинаясь как линия конвективных штормов, к концу жизни МКК может представлять собой зону осадков слоистообразной облачности овальной формы. Когда по доплеровским наблюдениям в линиях шквалов были обнаружены потоки, связывающие регионы тыловой перистой облачности и лидирующий конвективный регион, отстоящие друг от друга на сотню километров, стало понятно, что по крайней мере в этом случае существует мезомасштабная конвективная система. Это определило то, что в научном обиходе термин mesoscale convective system означает прежде всего скопления Сb и генетически связанную с ними слоистообразную облачность горизонтальной протяженностью до нескольких сотен километров и временем жизни около полусуток. Очевидно, что главное направление исследований сегодня Ч это поиск прогностических возможностей, обнаружение признаков, по которым распознается данная система циркуляций. Очевидно также, что классификация линейной МКС со слоистым регионом в ее зрелой стадии существенно снижает прогностическое значение, оставляя вне внимания остальной спектр систем осадков. Как показано выше, распределение радиоэха на стадии формирования может быть различным, но существует определенный синергизм, приводящий к формированию линейного сегмента МЛШ, причем эта стадия длится не более 1,5 часов, что значительно меньше, чем зрелая стадия МКС, имеющая продолжительность 5-10 часов по Хаузу (Ноuze, 1993, с.350 [23]). Поскольку в стадии формирования и интенсификации регион слоистообразной облачности отсутствует, но конвективные ячейки обычно в ранних стадиях более интенсивны, то, согласно модели -кластера, развитие конвекции после максимума интенсивности до некоторой степени прогнозируемо. Опираясь на это предположение можно попытаться выделить на стадии, близкой к интенсификации, некоторые эволюционные признаки перехода системы в МЛШ масштаба, а также разделить МЛШ на две группы Ч со слоистообразным регионом и без него. Предлагаемая ниже классификация мезомасштабных систем создавалась в регионе, где радарные исследования ранее не проводились. Поэтому помимо чисто научной направленности нами была поставлена задача создать морфологическую классификацию, охватывающую, во-первых, весь спектр систем осадков вне зависимости от их интенсивности и, во-вторых, которую можно было бы применить в прогнозе и обучении метеорологов. Такая классификация, лишенная избыточного количества специфических для радиолокационной метеорологии способов отображения данных и критериев, могла бы быть использована повсеместно вне зависимости от способа представления радарных данных. Помимо этого ставилась задача более строго определить ту стадию эволюции, общую для всех систем, на которой было бы возможно по радиолокационным данным идентифицировать тип МСО с целью дальнейшего определения особенностей ее развития, временной привязки к другим данным, появлению опасных явлений, т.е. наметить пути к морфолого-эволюционной классификации МСО. Понимая заранее значительный субъективизм любой из классификаций такого типа, принципиальным был отказ от простой инструкции по описанию морфоструктур. Кажущаяся простота оценки по формализованной инструкции-схеме на практике вызывает много вопросов. Действительно, применяя подходы Хауза к градовым процессам в Швейцарии (Shchiesser et al., 1995 [39]), авторы вынуждены были не только видоизменить способ оценки (см рис.1.8), но и нашли, что в данном географическом регионе структуры LL/ТS достаточно необходимая для морфологического МКС более видимо, Рисунок 1. 9 Пример слияния мезомасштабной линии шквалов с двумя мультиячейковыми штормами. Вверху: ИКО изображение р/л отражаемости в двух уровнях: угол подъема антенны 00, R =240 км (слева) и 20, R=120 км (справа) Внизу: через 30 мин после слияния - слева поле радиальных скоростей (угол подъема 100), справа - р/л отражаемость (угол подъема 30) R=120 км редки, а процедура оценки типа ещё Здесь, уместно становится сложной.
привести далеко не самый сложный прогноза. На рис.1.9 приведены ИКО линии шквалов, к двум приближаясь пример, встречающийся в практике смещавшейся с запада на восток, визуально мультиячейковым штормам. Можно ли сказать, что конвективная линия Ч симметричного типа, выгнутый ли её передний край, если южнее радара образована явная вогнутость. Как оценить пилообразность ведущего края линии, если рассматривать её в момент слияния со штормами? Радиолокационная классификация мезомасштабных систем осадков должна быть самодостаточна. В нее должны быть включены системы любой интенсивности и горизонтальной протяженности. Эта классификация должна опираться на признаки, выявленные только на основе анализа р/л данных. В случае уверенной станет идентификации возможным класса мезомасштабной изучить и системы, условия в ее дальнейшем досконально эволюции возникновения, дальнейшие стадии спрогнозировать сопутствующие ей явления погоды. Очевидно, что для целей прогноза такая классификация не может содержать слишком большое число морфологических признаков во избежание субъективизма, чтобы можно было выявлять наиболее общие черты мезомасштабной того, что с системы, регистрируемой точки с помощью наиболее радиолокатора. Ввиду прогностической зрения распространенным способом отображения радиолокационных данных является представление систем осадков в горизонтальной плоскости радиусом 250 - 300 км, то первым признаком классификации может стать критерий линейности взаимного расположения элементов мезомасштабной системы. При этом важно определить, какие именно области зон осадков системы должны иметь характерную линейную форму. Вторым очевидным признаком при классификации, играющим большую практическую роль, должна стать обобщенная характеристика интенсивности системы: наличие конвективных элементов, отличающих данную зону осадков от преимущественно слоистообразной. Места локализации и тип многих опасных явлений во многом определяются циркуляционными особенностями элементов МКС. В связи с этим встает вопрос о выборе системы координат, наиболее подходящей для одновременной интерпретации относительных движений в каждом из этих элементов. Разработанные ранее концептуальные модели МКС использовали для этих целей системы отсчета, связанные с определенным масштабом скоплений Cb. Так, в случае мультиячейкового шторма движения в нем рассматривается относительно скорости холодного оттока (рис.1.1), или относительно движения линии шквалов. Приведем еще один из примеров (рис.1.9). В какой системе координат анализировать поля доплеровских скоростей при сближении штормов с линией шквалов, какую скорость системы координат нужно выбрать, чтобы интерпретировать эти не столь уж и сложные изображения? По всей видимости наиболее подходящей может стать система координат, связанная с движением наименьшего структурного элемента МКС - конвективной ячейки. В дальнейшем будет предложен и обоснован способ интерпретации данных доплеровского радара, основанный на системе координат, движущейся с единой для всех элементов МКС скоростью Ч скоростью среднетропосферного потока.
ГЛАВА 2 РЕГИОН ИССЛЕДОВАНИЯ, ДАННЫЕ И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ МЕЗОМАСШТАБНЫХ СИСТЕМ ОСАДКОВ Наблюдения мезомасштабных систем осадков были проведены с использованием доплеровского радиолокатора Метеорологического научноисследовательского центра Университета г. Пелотас (31043' ю.ш., 52018' з.д.) в период с августа 1993 по октябрь 1999 года, при поддержке фонда научных исследований Бразилии (CNPq). В первой части этой главы будет дана краткая физико-географическая характеристика региона и основных условий погоды (п.2.1). Во второй части главы (п.2.2) рассматриваются радарные данные и методы их первичной обработки. 2.1. Краткая характеристика региона исследования Радар DWSR-88S (длина волны 10,7 см) установлен на 45-метровой башне (80 м над у.м.), на равнинной местности в 4 км к западу от города Пелотас, в 60 км от побережья Атлантического океана и в 10 км от пресноводной лагуны Lagoa dos Patos (рис.2.1). В максимальном радиусе обзора радара 480 км условно можно выделить два сектора: континентальный, охватывающий крайний юг Бразильской федерации (штат Рио Гранде до Сул) и значительную часть республики Уругвай, а также морской сектор, примечательный тем, что в нем расположена мигрирующая область океанического фронта, образованного холодным Мальвинским и теплым Бразильским течениями. Климат региона классифицируется по Кеппену как субтропический умеренно-влажный без сухого периода с жарким летом (Cfa). Отметим, что данный тип климата характерен для всей Бразилии южнее линии тропика, сменяясь климатом Сfb, там где высоты Бразильского нагорья достигают 1000 м, и среднемесячные температуры января не превосходят 220С.
Континентальный сектор представляет собой в основном равнину с небольшими поднятиями, не превышающими 500 м. Среднегодовые Рисунок 2.1 Карта региона исследования. Жирными линиями указаны изоконтуры годовых сумм осадков, мм. Сокращенно указаны города, где находятся метеостанции: BG - Bag, SM - Santa Maria, POA - Porto Alegre температуры распределяются от 18 до 200С, при этом средняя температура января (лето) 24-250 С существенно выше, чем в июле (зима) 12-130, т.е. сезоны года хорошо выделяемы (Nobre et al., 1986 [71]). Осадки сравнительно регулярно распределены по сезонам с характерной годовой величиной около 1500 мм. Как уже отмечалось, синоптические условия возникновения мезомасштабных систем в регионе определяются близостью климатического полярного фронта (ПФ) ~ 35 ю.ш. Сезонные миграции этого фронта с севера на юг и обратно заметны в изменении географической широты максимума струйного течения верхних уровней с размахом более чем 100. В связи с этим зимой (в июле) через юг Бразилии проходит 7-8 холодных фронтов, по сравнению с 4-5 случаями в январе, когда ось струйного течения располагается южнее региона. Особо следует подчеркнуть, что область вокруг 32,50 ю.ш. 550 з.д. (рис.2.2) является одной из двух главных зон приземного циклогенеза на континенте (Gan and Rao, 1990 [66]). Хотя наиболее ярко циклогенез выражен зимой, в междуречье и устье рек Уругвай и Ла-Плата, несущих теплые воды с севера в одноименный залив;
значительная циклоническая активность на континенте и у побережья наблюдается и в другие сезоны (рис.2.2 ). Летом, означенных важный вклад в кроме факторов, погоду региона дают два центра конвективной активности к востоку от Анд: область термического циклона, охватывающая Парагвай и север Аргентины, т.н. Ваixa do Chacо, выраженная на Рисунок 2.2 Среднее количество случаев приземного циклогенеза в Южной Америке (По Гану и Рао, 1990 [66] ) в до появлении замкнутых изобар уровнях от 850 гПа, и область высотного антициклона, наблюдается который несколько севернее, над Боливией, т.н. Alta da Bolivia. Снимки, сделанные с геостационарных спутников, свидетельствуют, что скопления мощной конвекции появляются в зоне действия этих центров почти ежедневно (рис.2.3). При определенных условиях, конвективные комплексы, возникшие в Ваixa do Chacо смещаются в регион исследования. Для региона свойственны значительные межгодовые колебания сумм осадков, от 700-900 до 2500 мм в год. Одной из причин этого, очевидно, является изменение характера атмосферных циркуляций в соответствии с фазой ЭльНиньо - Южное Колебание (ЭНЮК). Так, Ропелевски и Халперт, 1996 [73] относят юг Бразилии к одному из 11 регионов значимым аномалию поверхности океана. планеты откликом со на температуры моря Начиная в с Рисунок 2.3 Спутниковый снимок в ИК-диапазоне эволюции МКК, сформировавшегося 24 января 1994 г. над Южной Америкой (Meteosat-3) тропической части Тихого пионерской работы Каутски и Казарина, 1986 [69], обнаруживших, что в периоды теплой фазы ЭНЮК нарушается обычный цикл качелеподобных колебаний интенсивности осадков между Южно-Атлантической зоной конвергенции (200 ю.ш.) и югом Бразилии, тема Эль-Ниньо остается самой популярной в региональных климатических исследованиях (например, Coelho et al., 1999 [62], Хан, 1999 [78], Kane, 2000 [67], Sansigolo et al., 2000 [74], среди прочих). Число случаев циклогенеза, зимой и осенью в годы с Эль-Ниньо обычно выше, что, очевидно, отражается в повышенных суммах осадков в регионе. Заметно и увеличение случаев прохождения холодных фронтов в теплую фазу ЭНЮК летом (Fedorova e Carvalho, 2000 [64]), по сравнению с холодной фазой (La-Nia). Исходя из того, что эволюция систем осадков по данным радара в основном исследовалась в радиусе 240 км от радара, то этот регион будет описан несколько подробнее. В среднем по станциям в регионе обзора наблюдается около 1446 мм, довольно равномерно распределенных по сезонам (рис. 2.4 а) с минимумом в апреле (99 мм) и максимумом в августе (138 мм). По данным регионального Института Агрономии (1989) в этой области в среднем наблюдается не менее 10 дней с дождем в любом из месяцев, с возрастанием количества дней с дождем от континентальных районов (90 дней) к побережью (100-110 дней). Очевидно, однако, что дожди Рисунок 2.4 Характеристики осадков и опасных явлений погоды в регионе: а) месячные нормы осадков на территории, расположенной в радиусе 240 км от радара;
б) распределение интенсивных осадков по часам суток за 11-летний период по данным трех метеостанций;
в) сезонный ход повторяемости случаев выпадения града на севере региона (см. текст);
г) сезонный ход числа шквалов за 10-летний период по данным станции г.Пелотас (Под шквалом понималось усиление ветра, превышающее 8 м/с относительно предыдущего фонового значения и длительностью не менее 2 минут).
более интенсивны в глубине региона (200-300 км от побережья), т.к. суммы осадков здесь более значительны. Число дней с дождем достигает максимума (120 дней в году) в предгорьях на севере региона, а суммы осадков здесь значительно больше, чем на побережье океана (1600 и 1100 мм, соответственно).
По статистической однородности месячных сумм осадков (Khan and Kim, 1998 [68]), в радиусе 240 км от радара можно выделить два типа плювиометрического режима региона. Первый включает равнинные станции крайнего юга, а второй Ч более холмистую часть севернее радара в пределах 200 км (Serras de Cangucu, S.das Encantadas, S.de Erval). Статистическая обработка 10-минутных оцифрованных плювиограмм за 11 лет (Abdoulaev, et al., 1998 [56], Amaro de Lima et. al., 1998 [57]) показала, что как в первой группе метеостанций (Pelotas, 31052' ю.ш., 52021' з.д., Bag, 31020' ю.ш., 54006' з.д. ), так и второй (Santa-Maria, 29042' ю.ш., 53042' з.д.) более 50% от годовой суммы осадков - это осадки из конвективных облаков с интенсивностью более 1,1 мм/10 мин (т.е. 6,6 мм/час, что соответствует 36 dBZ р/л отражаемости), причем средняя интенсивность таких осадков эквивалентна 16 мм/ч. На рис.2.4 б приведено количество наблюдений осадков интенсивностью 2,5 мм/10 мин (~ 42 dBZ) в различные часы суток за 11-ти летний период с 1986 по 1996 год. На станции Bag, находящейся западнее радара на расстоянии порядка 175 км, осадки такой интенсивности равномерно распределены в течение дня, несколько уменьшаясь между 10 и 11 часами. На станции Pelotas (17 км к юго-востоку от радара) и St. Maria (260 км к северо-западу) характерен более глубокий утренний минимум, начиная с 6-9 часов утра до полудня, с явно выраженным максимумом повторяемости с 13 до 17-19 часов местного времени. На континентальной станции St.Maria кроме того выражен предрассветный пик активности конвекции. Метеорологическая метеорологии, INEMET) сеть в штате (Восьмой для регион Института таких довольно редкая фиксации локализованных в пространстве явлений, как град. В работе [58] показано, что на севере региона наиболее часто град выпадает в конце зимы Ч начале весны. В районах с развитым земледелием, в т.ч. и виноградарством, выпадения града фиксируются культурам. по Например, ущербу, по причиненному данным сельскохозяйственным 22-летним наблюдений Центра исследований винограда и вин, на территории муниципалитета Веnto Gonsalves, в среднем отмечается более 3 градобитий различной интенсивности в год. Сельское хозяйство на юге региона ориентировано на пастбищное животноводство и рисоводство, т.е. фиксация градобитий затруднена. Распределение количества случаев с градом за год представлено на рис.2.4 в. Ниже 320 ю.ш. в регионе большее значение имеют шквалы, наблюдающиеся круглогодично (рис.2.4 г) с наибольшей повторяемостью c декабря по март (Abdoulaev e Lenskaia, 1998 [55], Ленская и Абдуллаев, 2004 [77]). В отдельные годы, частота шквалов резко возрастает. Например, муниципальное подразделение электрической компании (СЕЕЕ, 1998 [60]) за период с сентября по декабрь 1997, из-за 5 случаев шквалов в г. Пелотас и Jaguaro потерпело убытков на сумму около 300 тыс. долларов для восстановления электроснабжения. По косвенным оценкам в те дни скорость ветра достигала 30-40 м/с. Прохождение над регионом мезомасштабных конвективных систем часто сопровождается опасными явлениями с разрушениями и жертвами одновременно на территории нескольких муниципалитетов, которые регистрируются гражданской обороной как катастрофические (Defesa Civil, 1996 [63]). Например, за период с 1992 по 1996 гг. такие явления регистрировались более 35 раз в год. Изложенное выше лишь кратко подчеркивает, что регион исследования можно считать настоящей природной лабораторией для изучения широкого спектра осадков и связанных с ними явлений. 2.2. Радиолокационные данные и методы первичной обработки Радар DWSR-88S был произведен в 1989 году и явился первым доплеровским радаром, установленным в Бразилии. Это импульсный доплеровский радар на магнетроне с номинальной частотой в диапазоне 2700-2900 MГц (длиной волны 10,7 см), пиковой мощностью 500 кВт и мезомасштабных систем пороговой чувствительностью - dBm.
Обработка видеосигнала осуществляется видеопроцессором RVP-5 (фирмы SIGMET), позволяющим выделять доплеровский сдвиг в сигнале, сравнивая квадратурную и синфазную огибающие сигнала методом Рulse Рair Рrocessor (см. Doviak, Zrnic, 1984 [20]). Диаметр антенны радара 3,67 м и режим её облучения обеспечивали ширину луча 2,10 с уровнем боковых лепестков Ц25 dB. Применялось два различных варианта наблюдений: в режиме отражаемости Z с частотой повторяемости 250 импульсов в секунду и шириной импульса 2 мкс, и в доплеровском режиме с шириной импульса 0,8 мкс и повторяемостью 937 с-1, а также с возможностью включения второй частоты 625 с-1. 2.2.1 Краткая характеристика данных Радар использовался одновременно в исследовательских, оперативных и учебных целях. В принципе радарные наблюдения могли производиться полностью в автономном режиме, с управлением и генерацией, но опыт первых трех месяцев работы с августа по декабрь 1993 г, показал нестабильность управляющего компьютера Microvax, и неоперативность продуктов САPPI, VIL, VAD при индентификации опасных явлений, а также экономическую неэффективность. В целом с учетом архива 1992 года за период 1992-93 г.в нашем распоряжении имелась такого рода информация о системах осадков 10-ти дней. Исходя из этого, основным банком данных стали наблюдения, произведенные исследователем (с января 1994 по октябрь 1999), который, анализируя поля отражаемости и радиальной скорости в ручном или автоматическом режиме сканирования, копировал изображения дисплея на цветные микрофильмы или на цветной принтер. На таких фильмах отображалось шесть уровней отражаемости: все поле с отражаемостью менее 29 dBZ, а также 29, 40, 45, 50 и >55dBZ (такая шкала Z используется в оперативной практике США, см. Ноuze et al., 1990 [24]). В отдельных случаях путем введения новых кодов в процессор шкала Z перестраивалась. воспроизводились Кроме не этого в режиме уровней определения радиальных скоростей скоростей:
менее девяти нулевая радиальная скорость от +2 от Ц2 м/с, затем 6,25;
12,5;
18,75 и 25 м/с (положительная компонента означает движение гидрометеоров в направлении к радару). Плановая структура радиоэха осадков Z (ИКО) регистрировалась в радиусе 480, 240 км, а в радиусах обзора 120, 60 и 30 км Ч как радиолокационная отражаемость Z, так и радиальная скорость VR. Начиная с радиуса 240 км и 120 км, было возможно производить вертикальные разрезы (ИДВ) в режимах Z и VR. Пространственное разрешение данных определялось экранным пикселем монитора и в радиусе обзора 120 км соответствовало 1,2 км по горизонтали и 120 м по вертикали. В тексте работы для удобства восприятия контуры Z и VR на ИКО-ИДВ трассированы (с удалением электронных помех, отражений от местных предметов и др.) с цветных оригиналов и приводятся штриховкой (рис 2.5) или в градациях серого цвета. Обычно наблюдения производились с 8 до 17-18 часов дня, когда радар периодически раз в 1-2 часа включался до появления радиоэха;
при явных признаках развития систем осадков (в т.ч. это определялось визуально, по появлению на спутниковых изображениях и т.д.) радар переводился в ждущий режим. Во многих случаях, когда осадки начинались ранним утром, удавалось получить информацию примерно с 6 часов утра. В тех случаях, когда системы конвективных осадков продолжали развиваться после 18 часов, их наблюдения продолжались вплоть до стадии диссипации, обычно до 22-24 часов. Изображения систем осадков на ИКО при малых углах подъема антенны (0-0,50) в радиусе 240 и 480 км обычно фиксировались каждые 10-20 минут, а в случае развития более интенсивной конвекции в радиусе 120 км от радара Ч не реже одного раза в пять минут. Тогда же включался и доплеровский режим, а интервалы времени между последовательными снимками ИКО и ИДВ (не более 25 с) определялись только необходимостью переключения режимов и последующим полным оборотом антенны. Архив радарных данных с 303 днями с наблюдением радиоэха осадков является основным в нашей работе. В работе также использовались спутниковые, аэрологические и наземные наблюдения, синоптические карты и данные анализов национальных центров прогноза, реанализа NCЕР-NCAR и др., которые будут кратко охарактеризованы по мере необходимости. Далее обсуждаются самые общие методы обработки радарных данных, используемые в работе. 2.2.2 Определение зон конвективных осадков и осадков слоистообразной облачности Зоны конвективных осадков выделялись с учетом интенсивности и формы радиоэха, аналогично, как в работе Хауза и др., 1990 [24]. Конвективный регион определялся как зона отражаемости с градиентами Z не менее двух уровней на 10 км по горизонтали и формой контуров, подверженной значительным изменениям в масштабе 10 км и в течение менее 1 часа. Так, на ИКО рис.2.5а к востоку от радара выделяется линия радиоэха с Z > 45 dBZ, включающая ядра отражаемости выше 50 dBZ, и область более слабых отражаемостей к западу. На ведущем крае системы выделяется конвективная зона с градиентами Z более 10 dBZ/км, очевидно, конвективного происхождения, что подтверждает вертикальная структура радиоэха на ИДВ (рис.2.5в) с высотами Н30 (Z=30 dBZ) и Н40 (40 dBZ) равными 11,5 и 8,2 км, соответственно. Зонами осадков слоистообразной облачности (ЗОСО) считались зоны масштабом более 40 км, не классифицирующиеся как конвективные при углах места близких к 00 на ИКО и ИДВ. Это последнее условие отличает ЗОСО от зон осадков слоистообразной облачности теплого сезона средних широт. В изучаемом нами регионе значительная часть осадков зоны слоистообразной облачности имеют почти одинаковую интенсивность вблизи поверхности земли, однако выше, особенно вблизи положения нулевой изотермы (4-5 км), горизонтальные градиенты отражаемости имеют такие же величины, как и в конвективных ячейках. По формальному критерию (большие градиенты отражаемости и Z > 40 dBZ, Sсhiesser et al., 1995 [39], Yuter and Houze, 1995 [76], Ноuze, 1993 [23]) к западу и южнее радара в области однородных слоистообразных осадков с Z < 29 dBZ находятся зоны конвекции с явно выделяемыми ядрами Z> 40 dBZ. Но на ИДВ (рис.2.5б) видно, что вертикальная протяженность Z > 40 dBZ невелика в сравнении с конвективными ячейками. Ядра формируют цепочку переменной ширины до 1,5-2 км, напоминающую ляркую линию на ИДВ ЗОСО средних широт. Известно, что Z в слое ляркой линии превышает на Z = 6 - 7 dBZ отражаемости выше и ниже слоя (Battan, 1973 [59]), что связано с процессом обводнения снежных кристаллов, падающих вниз в область с положительными температурами. Эта линия обычно однородна и имеет вертикальную протяженность 0,5-1 км. Наблюдаемые генерирующие ячейки утопленной конвекции в слоисто-дождевых облаках Ns (Houze, 1993 [23]) нарушают прерывистость этой линии, но столь явных выраженных их форм с Z > 15-20 dBZ, в известной литературе не отмечалось. Более того в переходные периоды и зимой Z в ядрах таких ячеек достигала 50 dBZ. Проведенные нами наблюдения показали, что как существование области повышенной радиолокационной отражаемости 40-45 dBZ, так и наличие большого градиента Z нельзя однозначно применять в качестве критерия для выделения зон конвективных ячеек. Очевидно, что в указанном примере генерирующие ячейки имели более значительные вертикальные скорости, способные поддерживать большие снежинки или снежную крупу, которые в процессе падения, слипаясь и тая, давали такие отражаемости. Регионы, образованные генерирующими ячейками, были отнесены к ЗОСО.
Рисунок 2.5 Радиолокационные изображения линии глубокой конвекции с обширной зоной осадков слоистообразной облачности, наблюдавшейся 11 января 1996 г. а)- в) ИКО - ИДВ, сделанные в режиме радиолокационной отражаемости;
г) - е) в режиме радиальной скорости Схема на фрагменте д) поясняет вклад в радиальную скорость вертикальных и горизнтнальных движений, а также скорости падения гидрометеоров (см. текст) 2.2.3 Определение скорости переноса зон осадков Известно, что видимое смещение многоячейковых штормов подразделяется на две компоненты: одна из них есть движение со скоростью среднетропосферного ветра, а другая связана с возникновением и развитием новых ячеек в шторме. При помощи радара скорость среднетропосферного потока можно оценить по средней скорости смещения наименьших мезомасштабных конвективных элементов, то есть отдельных конвективных ячеек, которые отображаются на экране радара в виде изолированных радиоэхо - радиолокационных ячеек. Ввиду небольшого времени жизни р/л ячейки - порядка 15 - 20 мин Ч промежуток времени между последующими ИКО-изображениями для определения средней скорости ячеек не должен превышать 3 - 5 мин, что не всегда возможно реализовать. Другая важная проблема в определении скорости потока заключается в так называемом непрерывном развитии р/л ячеек, когда изоконтуры радиолокационной отражаемости определенной ячейки сливаются с контурами новой, позже возникшей ячейки. Перемещение штормов само по себе не может быть использовано для определения скорости потока, поскольку их движение происходит с переменной скоростью и меняет направление. С другой стороны, мультиячейковый шторм Ч это элемент системы циркуляций мезо- масштаба, и его структура сохраняется в течение 2-3-часов (Abdoulaev, 1995 [1];
Starostin, 1995 [42]). Поэтому осадки из различных штормов, наблюдаемые в определенный момент времени, являются следом более общей циркуляций системы. Полагая, что структура некоторое время, можно мезомасштабных сохраняется допустить, что некоторые фрагменты поля отражаемости также сохраняются в течение промежутка времени, большего, чем время жизни одной ячейки. В работе [54] показано, что анализируя смещение фрагментов поля радиолокационной отражаемости (ориентацию линий, точки пересечения, очертания изоконтуров и т.п.), которые сохраняются в течение времени больше одного часа, можно определить скорость потока, даже если временное разрешение между последовательными ИКО-изображениями составляет порядка 20 мин. Таким образом можно обойти проблему непрерывного развития. В методе определения скорости потока, использованном в [54], фрагмент поля отражаемости, имеющийся на первом изображении, особым образом накладывается на последующее изображение, в предположении, что повторена. На рис.2.6 представлен пример применения этой процедуры к определению потока для системы с конвективной линией, ранее представленной на рис. 2.5. На рис. 2.6 а,б,в показана последовательность изображений мезомасштабной линии неустойчивости слева на рис.2.6а, сопровождаемой обширной зоной осадков слоистообразной облачности, которая сливается с штормами, расположенными впереди нее. Фрагменты, выбранные для суперпозиции, отмеченные как F1 и F2 рис.2.6а, соответствуют линиям масштаба 30 - 40 км, перпендикулярным линии неустойчивости в северо-западной и центральной частях изображения. Суперпозиция изоконтуров отражаемости 29 dBZ этих изображений показана на рис.2.6 е. Видно, что наибольшее совпадение формы фрагментов F1 и F2 наблюдается между первым и вторым последовательными изображениями, а фрагмента F2 между вторым и третьим изображением. Вектор скорости переноса (3200, легко определяется был по смещению равен положения скорости радара на изображениях (рис.2.6 е). Определенный таким способом вектор переноса 18,3 м/с) примерно средней смещения радиолокационных ячеек (3150, 18 м/с). Наличие сохраняющихся фрагментов в ЗОСО также позволяет оценить скорость среднетропосферного потока, перемещающего систему как целое. Во многих работах как цитированных, так и более ранних представлены различные варианты использования метода фрагментов для определения скорости потока. Использование компонент вектора этой скорости для средняя скорость смещения фрагментов равна скорости смещения системы осадков. Затем эта процедура может быть анализа эволюции линий шквалов и в качестве основы построения движущейся параграфах. системы координат обсуждается в соответствующих Рисунок 2.6 Пример определения скорости переноса: а) - д) ИКО радиолокационной отражаемости поля осадков в различные моменты времени, полученные для определения фрагментов F1 и F2 ;
е) совмещение изображений по изоконтурам Z >30 dBZ. Скорость переноса определяется делением расстояния между последовательными положениями радара с 1 по 3 (38 км) на промежуток времени (34 мин) 2.2.4 Определение элементов структуры линии глубокой конвекции. На рис.2.5 показаны типичные изображения ИКО - ИДВ радиолокационной отражаемости Z и радиальной скорости VR, полученные при наблюдениях квазидвумерной линии глубокой конвекции, движущейся в сторону океана со скоростью порядка 25 м/с. На ИКО нижнего уровня (рис.2.5 а) в 50-80 км к востоку от радара можно видеть квазинепрерывную линию конвективных радиоэхо, где на фоне сплошной полосы с Z > 45 dBZ выделяются ядра бльшей отражаемости, что подчеркивает ячейковую структуру линии. Самая восточная часть полосы, имеющая наибольшие горизонтальные градиенты Z, обычно обозначается термином ведущий край. Двигаясь в западном направлении можно заметить, что сразу за конвективной областью значения Z уменьшаются, образуя узкую полосу с Z < 29 dBZ, называемую транзитной зоной. Она разделяет конвективный регион и вторичный максимум радиолокационной отражаемости в зоне осадков слоистообразной облачности (ЗОСО). На горизонтальном сечении (рис.2.5 г) радиальная скорость VR в конвективном регионе направлена в сторону лот радара. Ее значение превышает однозначно определяемую максимальную скорость VR = 25 м/с, что приводит к формальному изменению знака скорости и появлению на изображении скоростей VR от 18,75 до 25 м/с, направленных к радару. Это означает движение гидрометеоров лот радара с радиальной скоростью от 25 до 31,25 м/с. По кривизне изолинии VR =0 м/с, можно установить, что вблизи поверхности земли поток воздуха направлен преимущественно с запада на восток, т.е. почти перпендикулярно конвективной линии. На высотах более 1км (на расстоянии около 120 км) ветер направлен с СЗ на ЮВ. На вертикальном разрезе радиолокационной отражаемости Z (рис.2.5 в), сделанном перпендикулярно конвективному региону, верхняя граница контура 29 dBZ достигает высот 10 -12 км, что вдвое больше высоты этого контура в ЗОСО (рис.2.5 б). Отдельные максимумы высоты этого изоконтура соответствуют конвективным ячейкам, находящимся на разных стадиях развития. Первый, считая от ведущего края, соответствует новой ячейке, следующий за ним и имеющий наибольшую высоту изоконтура Z = 45 dBZ соответствует ячейке в стадии интенсификации, и третий Ч ячейке, которая содержит градовую область с Z 55 dBZ и находится в завершающей стадии своего развития. Конвективный вариациями регион характеризуется скорости заметными На пространственными радиальной (рис.2.5 е).
расстоянии 78 - 80 км, что соответствует ведущему краю, VR превышает значение 31 м/с. Здесь вблизи поверхности образуется мощный отток воздуха из-под шторма, поддерживающий фронт порывистости, который порождает шквалы со скоростями более 22 м/с, регистрируемые при прохождении над метеостанциями. Выше положения оттока воздуха радиальная скорость резко уменьшается до 0 м/с и даже меняет направление в сторону к радару, т.е. в сторону, противоположную движению конвективной линии. Столь сильный вертикальный сдвиг скорости ветра, превышающий 2,510-2 с-1, вызывает уширение спектра сигнала, что приводит к его удалению процессором радара. На ИДВ Z (рис.2.5 в) заметно, что с высотой транзитная зона слегка сужается, но по-прежнему отделяет зону диссипирующих конвективных ячеек от ЗОСО, где (рис.2.5 б) отчетливо наблюдается ляркая линия вторичного максимума отражаемости. На ИДВ радиальной скорости (рис.2.5 д) в тылу этого региона заметен максимум скорости VR равной 31 м/с, называемый тыловой вток (rear inflow jet). В пределах изолиний скорости 25 м/с, этот поток спускается с высоты 6 - 9 км в тыловой части ЗОСО до высоты 3 - 5 км в транзитной зоне. 2.2.5 Оценка горизонтальных и вертикальных движений На определенной высоте скорость гидрометеоров является результирующей нескольких движений. Во-первых, они переносятся в горизонтальном направлении вместе с ветром, который имеет скорость U и направление (равное азимуту, откуда дует ветер).
Во-вторых, гидрометеоры движутся вертикально со скоростью W Vq в результате свободного падения V q и восходящего (либо нисходящего) движения воздуха W. Считая радиальную скорость VR положительной при результирующем движении гидрометеоров в сторону радара, можно выразить ее в виде суммы проекций U, W и Vq на направление луча радара. Это направление характеризуется углом подъема и азимутом, в котором производится вертикальный разрез облачности. Например, на рис.2.5 г вертикальный разрез сделан в азимуте образом:
V R = U cos( ) cos + (Vq W ) sin = 2700. Таким образом, в конкретной точке пространства радиальная скорость может быть определена следующим (2.1) Аналогичным образом Чэпмен и Браунинг, 1998 [61] использовали углы подъема антенны < 10 0, для расчета сдвига ветра на основе вертикальных разрезов мезомасштабных линий шквалов, при этом они пренебрегали вкладом вертикальных движений. Хауз ([23], p.124) считает, что вкладом вертикальных движений в величину VR при углах подъема антенны до 200 можно пренебречь. Для оценок горизонтальных движений нами использовались углы наклона 14 0, что соответствует высоте 15 км на расстоянии 60 км. При таких углах вклад даже экстремально высоких вертикальных скоростей, таких как 25 м/с составляет менее 6,25 м/с. Таким образом, можно сказать, что наблюдаемые (на рис. 2.5 г-е) горизонтальные и вертикальные градиенты радиальной скорости VR 10 2 c 1 определяются сдвигом горизонтальной скорости. Предполагая, что линия конвекции имеет почти двумерную форму, структура горизонтальных движений U(x,h) определяется в направлении, перпендикулярном линии. При условии, что имеет небольшую величину, это означает, что U V R. Пренебрегая вкладом W, горизонтальную скорость в первом приближении можно рассчитать с поправкой на скорость падения:
U = VR Vq tg cos (2.2) С учетом эмпирических связей между Vq и эквивалентной радиолокационной отражаемостью Ze (Sekhon и Srivastava, 1971 [75]) и с поправкой на изменение плотности воздуха с высотой (h) (по Foote и Toit, 1969 [65]) скорость падения гидрометеоров Vq, может представлена как Vq = 4,32 Z 0, 052 e 0 ( h) 0, (2.3) Вклад Vq, вычисленный по (2.3), в горизонтальную скорость U не превышал 1,5 м/с во всех случаях. Далее, полагая что ошибки в определении скорости U незначительны, вертикальную скорость W оценивали из уравнения неразрывности:
( р) U ( (h) W ) + =0 x h (2.4) U = D это горизонтальная x где U рассчитывается по формуле (2.2), а компонента дивергенции скорости.
В нашем случае вертикальная скорость W1 на высоте h1 может быть представлена следующим образом:
W1 = h D W2 + 0 ( h) h h h 1 2 (2.5) где черта над переменной означает осреднение значения этой величины в слое h = h2 h1. Расчет W сделан путем интегрирования уравнения (2.5) сверху вниз с условием W =0 на верхней границе шторма, что приводит к меньшим ошибкам в сравнении с интегрированием в обратном направлении (см. Ray et al., 1980 [72];
Lin et al., 1986 [70]). Расчет в нисходящем направлении предпочтительнее еще и потому, что профиль радиальной скорости VR в слое от 0 до 500 м неизвестен, ввиду отсутствия прямых измерений скорости ветра вблизи поверхности, и смещен в сторону меньших значений скоростей из-за отражения сигнала радара наземными объектами. Качество оценки вертикального сдвига ветра падает с увеличением расстояния от радара ввиду уширения луча радиолокатора. В случае квазидвумерных линий конвекции, часто используют суперпозицию (или интегральную картину) двух или более изображений одинакового разрешения, смещенных одно относительно другого со скоростью движения линии. Например, точка X1 на расстоянии 17 км от радара, изображенная на рис.2.5 е в 22:18, показывает, куда должно сместиться изображение, сделанное в 22:06 при скорости смещения линии равной 25 м/с. Построение такой интегральной картины основано на допущении, что в течение промежутка времени между последовательными изображениями поле скоростей и Z не изменяются. Однако, в общем случае это условие не выполняется, поэтому при оценке вертикальных движений используется единственный вертикальный разрез либо два, близких по времени. Вертикальное распределение радиальной скорости VR определялось непосредственно на вертикальных изображениях по пересечению контура скорости определенной величины с узлами сетки, отстоящими на 2 - 2,5 км по горизонтали и 0,25 км по вертикали, в предположении линейного изменения радиальной скорости между двумя контурами. Результаты применения описанного в данном пункте метода вычисления горизонтальных и вертикальных скоростей движения по значениям радиальной скорости и радиолокационной отражаемости будут представлены в последующих главах.
ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕЗОМАСШТАБНЫХ СИСТЕМ ОСАДКОВ В данной главе обсуждаются определение мезомасштабных систем осадков, методы их классификации и характеристики шести типов МСО. Основные результаты главы изложены в работах [79, 80, 83, 84, 88]. 3.1. Определение мезомасштабных систем осадков Как было показано ранее, определить, является ли данное видимое на ИКО скопление зон осадков мезомасштабной системой, т.е. множеством взаимодействующих между собой элементов, почти невозможно без детального изучения структуры потоков или их эволюции. Базируясь на определениях МКС, изложенных в главе 1, здесь предлагается следующее. Мезомасштабная долгоживущее (более система 1 часа) осадков (МСО) зон Ч это относительно и/или скопление конвективной слоистообразной облачности, имеющее линейные размеры более 100 км, и отделенное от других скоплений не менее чем на 200 км (с учетом их переноса с потоком). Предлагаемое определение МСО отличается от определения МКС, принятого в [23] (см. главу 1), лишь тем, что не требует обязательного присутствия элементов глубокой конвекции, и включает чисто слоистообразные МСО. В то же время конвективные системы осадков наряду с кучево-дождевой конвекцией могут содержать ЗОСО, как это демонстрирует, например, МСО на рис. 2.5. При анализе выборки выявлено, что в течение дня на экране радара обычно наблюдалось прохождение одной МСО. Наиболее критическим в определении оказалось то, что изначально не учитывается результат эволюции ряда долгоживущих конвективных зон, при котором они могут приближаться друг к другу или даже объединяться общим контуром ЗОСО. Явление пересечения мезомасштабных полос обычно наблюдалось в циклонах, такие полосы выделены нами как отдельные МСО, если их наиболее активные участки были разделены пространством без осадков 100 и более км. С учетом этого в 25 днях наблюдалось прохождение двух, а в 3 днях Ч трех, как отдельных, так и лобъединявшихся МСО. В 4 днях наблюдались отдельные короткоживущие конвективные шторма, которые не рассматривались как МСО. В общей сложности на последовательных изображениях было идентифицировано 320 мезомасштабных систем осадков, из них 162 МСО наблюдались с ноября по март и 158 Ч с апреля по октябрь. Ниже приводятся аргументы в пользу того, что данная выборка является репрезентативной, т.е. охватывает обширный спектр интенсивности и погодных условий. 3.1.1 Репрезентативность выборки и сезонный ход параметров МСО Одним из принципиальных вопросов любой эмпирической классификации мезомасштабных систем осадков является репрезентативность выборки. В одних обобщениях этот вопрос полностью игнорируется, в некоторых оценивается периодом в несколько лет. По существу проблема длины выборки возникает из-за того, что лишь в последнее десятилетие оперативные радарные данные достаточного разрешения стали регулярно архивироваться на электронных носителях относительно быстрой обработки. Так, в форматах, доступных для упомянутая классификация мезомасштабных конвективных систем в Оклахоме [24] проведена ручным трассированием с негативов и охватывает 51 случай за период в 6 лет. Классификация начальной стадии 40 линий шквалов в [6] Ч за 11 лет. В качестве оценки представительности используемой нами выборки предлагается рассмотреть внутригодовое распределение и сезонный ход средних параметров МСО, для того чтобы выяснить, насколько данные величины коррелируют с их климатическими нормами. На рис.3.1 а представлено сравнение между сезонным ходом числа случаев наблюдавшихся МСО и месячной суммой осадков на территории в радиусе 250 км от радара, рассчитанной по данным 5 метеостанций за период с 1961 по 1990 гг. Как видно из рисунка, наибольшее количество осадков приходится на зиму - начало весны (август - сентябрь) и на конец лета (февраль - март), Рисунок 3.1 Сезонный ход числа случаев МСО (гистограмма) а также: а) нормы осадков на территории, ограниченной радиусом 250 км от радара, средние максимальные высоты H30 и H40 изоконтуров р/л отражаемости 30 и 40 dBZ (графики);
б) годовой ход среднемесячной скорости потока V500 на уровне 500 гПа, (реанализ NCЕP-NCAR) и потока по радиолокационным данным (графики).
когда в выборке регистрируется рост числа МСО до 35-40 случаев. Для характеристики интенсивности МСО определялись высоты Z контуров 30 и 40 dBZ: H30 и H40, Ч поскольку именно эти высоты наиболее хорошо отражают интенсивность конвекции, с одной стороны, а с другой Ч могут отражать и высоты ячеек в зонах слоистообразной облачности, в которых часто отсутствуют бльшие отражаемости. Среднемесячное изменение максимальной высоты изоконтуров отражаемости 30 и 40 dBZ имеет ход, в определенной степени подобный ходу сумм осадков с минимумом в апреле-мае и максимумами в январе и феврале. Это говорит о том, что МСО большей интенсивности, т.е. с более высокими границами облачности и значительным количеством осадков, встречаются практически во все сезоны. С другой стороны высота облачности может отражать пропорции между слоистообразными и конвективными МСО. Также важно отметить, что вклад одного случая с большой высотой радиоэха в месяцах малой обеспеченности может значительно повлиять на смещение средних величин. Так, максимум высот H30 и H40, в июне равный 10 - 11 км и сравнимый с высотами для января, может отражать недостаточное количество случаев в нашей выборке для данного месяца и завышенное количество случаев с интенсивной конвекцией относительно среднего за многолетний период. Тем не менее, сопоставляя рис.3.1 а с рис.2.4 в,г, можно отметить небольшое увеличение повторяемости шквалов и града в июне. На рис.3.1 б показано сравнение распределения МСО по сезонам года в выборке с годовым ходом среднемесячной скорости потока V500 на уровне 500 гПа, рассчитанной по данным реанализа NCЕP-NCAR [110] за период 19581998 гг. для узла сетки 32.5 ю.ш., 52.5 з.д. Как видим, скорости ветра в средней тропосфере повышаются от минимальных 9-10 м/с в январе до 18 м/с в августе-сентябре, что соответствует сезонной миграции оси струйного течения в регион и увеличению числа случаев циклогенеза (см. рис. 2.2). В 85% случаев МСО исходные радиолокационные данные были достаточны для определения скорости потока. Величина этой скорости (использовались только данные за 1993-1998 гг. для сопоставимости выборок) в целом имеет примерно одинаковое значение с V500 в течение весны-лета и несколько меньшее осенью. Превышение скорости потока, определенного по р/л данным, наблюдается в августе-сентябре, когда его скорости достигают 22-23 м/с, что примерно равно средней скорости в слое от 500 до 300 гПа. Поскольку выборки скоростей существенно различаются, то для большей сопоставимости с р/л данными была рассчитана величина V/500, средневзвешенная по количеству случаев МСО, наблюдавшихся в различные месяцы с 1993 по 1998 г. Такое преобразование привело к тому, что качественно ход величин стал почти синхронным, но расхождение между выборками в августе и сентябре оставалось около 5 м/с. С оговорками данный факт можно интерпретировать следующим образом: МСО данного периода наблюдаются в условиях резко выраженной бароклинности по сравнению с остальными месяцами. 3.1.2 Принципы типизации МСО Прогноз эволюции мезомасштабных систем осадков (МСO), базирующийся на данных радара, может быть произведен только в том случае, если зона осадков, однажды обнаруженная, сразу же соотносится с одним из определенных типов, эволюция которого достаточно хорошо изучена. Несомненно, классификация должна ограничиваться относительно небольшим числом классов систем, с более или менее фиксированными пространственновременными характеристиками. Последнее означает, что прогноз возможен только в том случае, если масштаб МСО имеет явно выраженную моду, а особые условия наблюдения конкретной МСО, влияющие на отклонение ее масштаба от нормы, не ведут к существенному изменению типичной формы системы и времени жизни. Как показано в главе 1, иерархически-эволюционный подход к классификации скоплений Cb [1] определяет ряд возможных масштабов МСО и обобщенный сценарий их развития. Однако, направление, в котором возникают новые элементы, в типичной модели -кластера строго не определено, а применение такого подхода требует определенного времени для детального анализа эволюции МСО - не менее 1 часа для объектов большого масштаба. Кроме того комплекс исходных радарных данных, необходимых для такого анализа, по ряду причин метеорологу недоступен: 1) нет полной информации о начальной эволюции поля, например, когда развитие элементов МСО происходило за пределами радиуса обзора радара, или если имелся перерыв в приеме информации из-за ослабления сигнала в осадках на длинах волн меньших 10 см;
2) как известно, вертикальный профиль Z более чутко реагирует на изменение интенсивности конвекции, но данные о высоте радиоэха во многих случаях отсутствуют. Ситуация, когда имеется только горизонтальное распределение радиолокационной отражаемости Z, довольно распространена, и это в сочетании с невысоким временным разрешением (1-2 часа) обуславливает сложную методологию распознавания мезомасштабных систем по снимкам ИКО [24, 39]. В процессе эволюции МСО меняют свою форму и интенсивность, осложняя тем самым не только прогноз направления смещения, но и саму идентификацию систем между последовательными сроками поступления информации: одиночные конвективные шторма могут трансформироваться в большую систему;
изначально конвективные элементы могут трансформироваться в ЗОСО;
и наоборот, конвективные элементы могут Рисунок 3.2 Схематическое руководство по отнесению наблюдаемой МСО к определенному типу в классификации.
возникать в непосредственной близости от зон слоистообразных осадков. Как показано в п. 2.2.3 локализация систем может быть решена путем предварительного вычисления скорости потока, однако трансформация зон осадков ставит вопрос о принципиальной возможности сравнения характеристик различных МСО в некоторые моменты их эволюции. Исходя из вышесказанного, в качестве первого этапа исследования систем ставилась задача определить, является ли МСО слоистообразной или конвективной в единственном удовлетворительно идентифицируемом по радиолокационным параметрам интервале жизни - в стадии максимального развития системы, который определяется как промежуток времени порядка 1 часа, в течение которого элементы МСО достигают максимальных высот (и наибольшей радиолокационной отражаемости Zmax). На втором шаге делается попытка подразделить, если возможно, МСО по их интенсивности, и на последнем третьем этапе Ч выбрать наиболее просто идентифицируемый морфологический признак (в частности нас интересовали линейные структуры). Концептуально эти шаги представлены на схеме рис 3.2. 3.2. Классификация МСО Среди исследованных МСО почти три четверти (242) на момент достижения максимальных параметров были отнесены к конвективному типу и одна четверть Ч (78) к слоистообразным. Как следует из рис.3.1 а, и конвективные, и слоистообразные МСО (их количество отмечено точкой) наблюдаются в любой из месяцев с максимумами в январе (32) и сентябре (17), соответственно. Примерно равное количество тех и других систем, отмеченное в сентябре, вместе со значительными средними высотами H30 и H40 и скоростями потока, по-видимому, свидетельствует о том, что слоистообразные и конвективные МСО данного периода должны быть обширны, чтобы дать значительный вклад в суммы осадков региона, тогда как в январе при малых скоростях потока конвективные МСО имеют локальный характер. Очевидна и интерпретация больших высот H30 и H40 для июня, где чистые ЗОСО по отношению к конвективным МСО составляют только 30% в отличие от 55% в соседних месяцах.
3.2.1 Критерий интенсивности МСО Интенсивность в исследованных системах осадков рассматривалась в двух аспектах. С одной стороны под интенсивностью МСО понималась максимальная величина радиолокационной отражаемости Z, зарегистрированная в течение эволюции системы, которая характеризует максимальную интенсивность осадков. С другой стороны интенсивность МСО описывается облачности, максимальными зарегистрированную высотами в изолиний всего радиолокационной процесса. МСО Ниже по отражаемости Z = 30 или 40 dBZ, которые указывают на максимальную высоту течение обосновывается подразделения интенсивности. В целом исследованная относилась мощной к выборка достаточно в критерий конвекции:
39,8% случаев отражаемость значений Рисунок 3.3 Повторяемость максимальной радиолокационной отражаемости Zmax в исследованной выборке и связь максимальной высоты облачности с Zmax достигала и Значительным Zmax = 55 dBZ более.
оказалось и число случаев, в которых Zmax принадлежала интервалу 40Ч45 и 45Ч50 dBZ (рис.3.3), в сумме дававших 39,5 %. Относительно малая повторяемость МСО с Zmax от 50 до 55 dBZ, по-видимому, связана с тем, что такие величины чаще наблюдались в системах осадков холодного периода года с относительно невысокой верхней границей облачности, в том числе и в слоистообразных зонах осадков. С определенной 1.5 оговоркой, используя выражения типа Z = 300 I, можно сказать, что системы осадков с максимальной интенсивностью менее 10 мм/ч составляют около 10% выборки, тогда как для большей части МСО характерны ячейки с интенсивностью осадков в двух градациях: от 25 до 50 мм/ч и более 100 мм/ч. В целом же очевидно, что вслед за превышением пороговых значений Zmax около 45 dBZ, в облаке обычно наблюдается дальнейшее увеличение отражаемости на порядок, что, вероятно, связано с появлением града. Результаты, представленные на рис.3.3, можно интерпретировать и в терминах качественной зависимости типа погоды от наблюдаемой отражаемости (см. табл. 1.2): при идентификации МСО на стадии их максимума в наблюдениях преобладают конвективные системы двух типов погоды: одни Ч с ливневым дождем от умеренного до сильного и другие Ч интенсивные грозоградовые шторма. Графики средних величин высот изоконтуров отражаемости 30 и 40 dBZ в целом следуют за ходом повторяемости Zmax. Так, высоты Н30 (Н40), достигая локального максимума в интервале 45 Zmax <50 dBZ со значениями 7,82,3 (6,22,0) км, понижаются до значений 7,32,3 (5,91,8) км в интервале 50 Zmax < 55 dBZ. При Zmax 55 dBZ высоты этих изоконтуров становятся почти на 4 км больше: 11,42,7 (10,02,5) км, причем доверительные интервалы средних высот не перекрываются с соседними диапазонами. Представленный бимодальный характер повторяемости значений радиолокационной отражаемости и существенный рост высот верхней границы МСО в случаях больших Zmax подчеркивают тот факт, что выбранная стратегия разделения конвективных систем осадков на два класса по их интенсивности в стадии максимума отражает природу изучаемых явлений, а в качестве критерия может быть использовано условие достижения Zмах величины 55 dBZ. Кроме того, значения Z 55 dBZ не были отмечены в слоистообразных МСО. Таким образом, по крайней мере в этом случае, выделение систем глубокой конвекции (или МКС) из всего спектра МСО может быть основано только на одном параметре: максимальной радиолокационной отражаемости Zmax. 3.2.2 Область развития МСО Как указывалось в п. 3.1.2, определение МСО и её прогноз имеют смысл лишь в том случае, если существуют определенные пространственные границы, в которых происходит появление новых элементов системы. Одной из пространственных характеристик МСО могла бы служить площадь, занятая осадками на момент появления в системе Zmax. Однако отдельные элементы осадков МСО часто отделены друг от друга или вытянуты в одном направлении в виде линии, поэтому определение линейных размеров области по площади осадков проблематично. Область развития МСО в момент достижения максимальной радиолокационной отражаемости определялась как площадь эллипса, большая ось которого А соответствует расстоянию между наиболее удаленными элементами МСО, а меньшая ось В равна максимальному расстоянию между элементами МСО в направлении, перпендикулярном большей оси. На рис.3.4 приведен пример определения области развития МСО, наблюдавшейся 22 ноября 1995 г. В начальной стадии, в 15:00 местного времени, область развития системы имеет почти круговую форму. Зоны с конвективными штормами постепенно смещаются со скоростью потока 7 м/с примерно из азимута 2600, и около 16:20 приобретают форму. В момент максимального развития, в 17:34, когда Рисунок 3.4 Пример определения области развития МСО эллиптическую высота Н40 достигла 12 км, а отражаемость 55 450 dBZ, км, а превышала составила большая ось А эллипса Рисунок 3.4 Пример определения области развития МСО малая В=150 км, таким образом площадь развития МСО составила AB/4= 53000 км2, а диаметр круга равной площади D = A B = 230 км. В среднем диаметр систем составлял порядка 250 км.
Введенное понятие области развития МСО позволяет также провести некоторые оценки, имеющие прикладное значение. Например, ориентация МСО определялась по большему углу между осью эллипса А и направлением на север, и в данном случае = 270 0. В этом случае угол между вектором скорости переноса и осью А эллипса составил 10 0. Используя составляющие вектора переноса вдоль большой и малой осей можно оценить максимальное время прохождения области развития МСО через конкретный пункт. Иными словами, подразумевая в случае систем глубокой конвекции под областью развития потенциальную область опасных явлений, можно оценить, насколько долго сохранится опасность их возникновения (естественно, без учета того, что МСО имеют конечное время жизни). 3.2.3 Структура поля отражаемости МСО В качестве последнего признака была предпринята попытка разделить МСО по степени соответствия её структуры к идеализированной линии конвекции масштабом не менее среднего диаметра МСО, т.е. примерно 200 км. В качестве оценки ширины такой линии принято условие, что она не превышает масштаба двух штормов или 50 км, т.е. соотношение продольного и поперечного размеров составляет 4:1. В том случае, когда на стадии максимальной интенсивности зоны конвективных осадков формировали область (полосу, линию) длиной порядка 200 км и большей, чем в ширину по крайней мере в 4 раза, которая сохранялась не менее 1 часа, Ч системы были отнесены к линейным МСО. Требование преобладания линейной структуры конвективных элементов в течение значительного времени обусловлено тем, что для целей прогноза важно, чтобы пространственные характеристики идентифицируемого объекта сохранялись на протяжении длительного времени. На примере МСО, изображенной на рис.3.4, видно, что после хаотического начального распределения отдельных ячеек и штормов система принимает линейную структуру, состоящую из элементов интенсивной конвекции, которая сохраняется до стадии диссипации. Линейные конвективные МСО с Zмах 55 dBZ были названы линиями глубокой конвекции (ллиниями шквалов), или сокращенно, класс L1. Ядра радиолокационной отражаемости Z = 40 dBZ в этих системах зачастую образуют сегменты большой протяженности, а сама система L1 часто формирует обширную зону осадков слоистообразной облачности, расположенную позади конвективной Рисунок 3.5 Примеры ИКО-изображений мезомасштабных систем осадков: а) МСО глубокой конвекции;
б) МСО конвективного типа меньшей интенсивности;
в) МСО слоистообразного типа. Слева на рисунке расположены системы, имеющие линейную организацию своих элементов (L1, L2, SL) и справа - нелинейную (N1, N2, SN) линии, что выявляет сходство систем L1 с линиями неустойчивости умеренных широт. Пример такого типа МСО представлен на рис.3.5 а слева, которая смещалась со скоростью 80 - 100 км/ч на восток. Линейные конвективные МСО меньшей интенсивности получили название полосы ливневых осадков или L2 (рис. 3.5 б). В полосах L2 конвективные ядра радиолокационной отражаемости обычно отдалены на значительные расстояния и, как правило, очень узкие. Ввиду небольшой ширины систем L2 площади, занятые осадками в стадии максимального развития, были относительно небольшими в сравнении с аналогичными площадями в системах класса L1. Конвективные системы, не имевшие на момент своей максимальной интенсивности линейной формы, были отнесены к МСО с нелинейной структурой. Случаи, когда МСО глубокой конвекции не имели линейной организации конвективных элементов, были названы мезомасштабными системами осадков глубокой конвекции с нелинейной структурой распределения элементов, или сокращенно - класс N1. ИКО-изображения этих систем имеют вид произвольного распределения интенсивных штормов и зон слоистообразных осадков (рис.3.5 а справа). Часто конвективные элементы в N1 смещаются в различных направлениях за счет непрерывного развития новых ячеек. Некоторые системы N1 представляют собой множество одно-, мульти- и даже суперячейковых штормов, которые формируют линейную структуру протяженностью порядка 30 - 50 км, но имеют различную ориентацию и соединяются между собой или разъединяются, как видно на рис.3.5 а. Аналогично, конвективные МСО с нелинейной структурой и интенсивностью меньшей, чем N1, отнесены классу N2 (рис. 3.5 б справа). Размеры областей развития систем класса N2 часто были сопоставимы с N1, однако представляли собой большое количество отдельных радиолокационных ячеек, которые исчезали с экрана без видимого слияния с другими штормами. В многоячейковых штормах систем N2 обычно отдельные ячейки выделялись более четко, чем в штормах систем N1. Слоистообразные МСО также были классифицированы. Было замечено, что наличие зон повышенной отражаемости, связанных с генерирующими ячейками, позволяет аналогичным образом классифицировать и слоистообразные МСО в классы с нелинейной SN и линейной структурами SL. Рис.3.5 в демонстрирует, что внутренняя структура систем класса SL, представляет собой полосы повышенной отражаемости, параллельные между собой. В классе SN зоны повышенной отражаемости обычно распределены достаточно произвольно. 3.3 Сравнительные характеристики МСО Подведем некоторые итоги. После трехэтапной классификации МСО в нашей выборке преобладают конвективные системы - 75 % случаев, причем системы глубокой конвекции составляют 40% от общего числа или более половины (55%) от конвективных систем. При классификации по структуре систем (см. табл.3.1) класс L1 имеет незначительно бльшую, чем остальные повторяемость, но в целом нелинейные и линейные МСО представлены в выборке приблизительно в равных количествах. На основании относительной представительности выборки (более 30 МСО в каждом из классов), далее для краткости будут обсуждаться в основном средние величины каждого из классов и наиболее характерные параметры распределений. Отметим лишь то, что хотя эта выборка почти в два раза больше, чем распределений - те же. 3.3.1 Характеристика классов МСО В таблице 3.1 представлены средние характеристики шести типов исследованных МСО. Анализируя параметры, представленные в этой таблице, можно заключить, что характер организации зон осадков и интенсивность МСО отражаются практически на всех характеристиках системы. Например, несмотря на то, что средние высоты изоконтуров 30 и 40 dBZ в работе [79], но основные выводы о характере внутри соответствующего класса интенсивности мало отличаются, заметно увеличение этих высот для классов L2 и SL по сравнению с N2 и SN.
Таблица 3.1 Характеристики мезомасштабных систем осадков в Южной Бразилии Конвективные, Конвективные, Z55 dBZ Z<55 dBZ L1 (72) N1 (59) L2 (51) N2 (60) 11.42.9 11.52.5 8.32.7 8.01.9 9.92.6 6.94 24987 2.61.1 14 26 26 34 18,06.9 16,7 2900 39,50 12.8 9.8 8.9 10.12.3 6.52.2 7.40 25693 1.80.6 38 28 17 17 13,08.6 11,2 2870 380 9,6 6.8 21.9 3.17 16176 3.92.3 18 24 34 24 16,08.8 15.0 2980 320 13.1 7.1 7.3 6.61.9 6.16 23678 1.60.5 25 35 27 13 11,66.1 9.0 2820 370 8.5 6.3 20,1 Слоистообразные SL (40) 6.51.6 4.91.3 6.92 25180 2.30.8 10 33 46 10 17,47.7 16,2 2910 220 15.8 5.3 19.0 SN (38) 5.91.3 4.71.2 9.59 30077 1.60.5 21 32 41 6 15.27.9 11.7 3000 360 11.2 6.9 21, Высота Н30, км Н40, км Площадь, 104 км2 Эквивал. диаметр, км Отношение осей Ю-ЮЗ Ориентация % ЮЗ-3 З-СЗ Область развития Перенос со среднетропосферным потоком СЗ-С Скорость средняя, м/с Модуль вектора, м/с Направление, откуда Угол с большой осью Компонента вдоль большой оси Компонента вдоль малой оси Время прохождения, ч Средние площади развития МСО конвективного типа имеют от 32 до 74 тыс. км2, а слоистообразные от 69 до 96 тыс. км2. В целом площади МСО линейного типа меньше, чем соответствующего по интенсивности нелинейного класса. Системы L1 часто кроме вытянутой формы конвективного региона сопровождались обширной зоной осадков слоистообразной облачности или имели ее перед ведущим краем (см. например, рис.3.5 а), и тогда площадь области развития почти равнялась той же характеристике, что и для классов N1 и SL. Ввиду того, что системы класса L2 представляют собой более узкие по форме зоны осадков, в среднем площади МСО глубокой конвекции (т.е. L1 и N1) были большими, чем в МСО меньшей интенсивности (L2 и N2), но меньшими, чем слоистообразных МСО (SL и SN): соответственно 7,2;
4,7 и 8,3104 км2. Независимое осреднение эквивалентных диаметров систем показывает, что только диаметр системы класса L2 почти в 2 раза меньше, чем SN, но даже в этом случае стандартные отклонения средних масштабов систем перекрываются. Как и ожидалось, МСО с линейной формой распределения зон повышенной отражаемости оказались более вытянутыми, чем системы с произвольным распределением элементов. Соотношение осей МСО классов L и N в среднем составляло 2,3 Ч 3,9 и 1,6 Ч 1,8 соответственно. Интересно заметить, что нелинейные осей (см. МСО почти удовлетворяют при критерию соотношения главу 1), используемому идентификации конвективного комплекса, а область развития SN удовлетворяет и площадным характеристикам. В среднем линейные (нелинейные) МСО имели площадь 58 (75) тыс. км и соотношение осей 2,9 (1,7). Таким образом классы систем осадков, имеющие внутреннюю линейную структуру, обладают на момент достижения максимальных параметров как меньшими площадями развития, так и более вытянутой формой по сравнению с системами нелинейной внутренней организации. Обнаружено, что преобладающая ориентация МСО зависит от рассматриваемого класса. Можно видеть, что конвективные линии в основном ориентированы в направлении С-СЗ и З-СЗ (58%), тогда как нелинейные (60%) в направлении Ю-ЮЗ и ЮЗ-З (см. табл.3.1). При этом системы глубокой конвекции в целом имеют слабую тенденцию (51%) к меридиональной ориентации, а меньшей интенсивности (60%) - к расположению главной оси вдоль круга широты. Нельзя с уверенностью утверждать, что действительно существует связь между интенсивностью МСО и ее ориентацией, поскольку разница в процентном отношении в исследованной выборке не достаточно выражена. В то же время более чем в 74% случаев классы SL и SN ориентированны вдоль широты: с 225 до 3150.
Одним из важных результатов является и то, что величина скорости среднетропосферного переноса МСО определенным образом отражается на формировании типа МСО. Так, в каждом из классов интенсивности средняя скорость переноса элементов больше в линейных МСО: в среднем по классам L1, L2 и SL составляла 17,3 м/c против 13,1 м/c в классах N1, N2, SN. Причем для модуля вектора скорости (см. табл.2.1) эта тенденция еще заметнее: 16,1 и 10,6 м/с, соответственно. Максимум абсолютной в спектре скорости переноса для линейных МСО смещен в сторону больших величин, тогда как в нелинейных системах Ч в сторону меньших. Так 50% квантиль скоростей Рисунок 3.6 Накопленная повторяемость скорости переноса для линейных и нелинейных МСО распределения линейных МСО (рис.3.6) приходится на 6061 км/час (17 м/c), тогда как в класс N на 40 км/ч (11 м/с).
Нетрудно заметить, что в ходе накопленных частот отражаются следующие закономерности: 1) возникновение классов L и N, происходит при любых скоростях ветра в средней тропосфере;
2) в целом линейным структурам МСО соответствуют большие сдвиги ветра;
3) при малых, менее 5 м/с, и очень больших, более 25 м/с, скоростях потока вероятности возникновения того или иного типа МСО близки между собой. В соответствии с непараметрическим критерием хи-квадрат 2 распределения скоростей переноса для МСО линейного и нелинейного типа отличаются с вероятностью 99%.
Различие в скоростях переноса могло быть связано с тем, что МСО линейной формы распределены достаточно равномерно по месяцам года, в то время как большинство систем нелинейного типа наблюдаются преимущественно летом, когда скорости переноса, в основном, меньшие. На рис.3.7 воспроизведен (см. п.3.3.1) сезонный ход модуля вектора скорости потока в сравнении с соотношением повторяемости классов МСО (L2+L1+SL)/(N1+N2+SN), а также средние скорости переноса классов N и L. Как видно из сравнения гистограммы и графиков с увеличением скоростей потока увеличивается и относительная повторяемость линейных структур, при этом характерное сходство пиков на кривых в случае оценки потока по климатическим данным реанализа (C) [110] визуально даже несколько выше, чем по радиолокационным данным (R). Оценки последних, повидимому, завышены из-за вклада отдельных МСО с высокими переноса сентябре, осреднении наличие скоростями 35-40 но за м/с, наблюдавшихся в августеимевших месяц. чем Рисунок 3.7 Соотношение повторяемости классов МСО по месяцам (гистограмма) в сравнении с годовым ходом скорости переноса для систем линейного (L) и нелинейного (N) типа. Ход скорости переноса для всех типов систем представлен по данным реанализа (С) и по радиолокационным данным (R).
Pages: | 1 | 2 | 3 | Книги, научные публикации